Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs ontdekt dat legeringen met hoge entropie (HEA's) uitzonderlijke mechanische eigenschappen vertonen bij ultralage temperaturen als gevolg van het naast elkaar bestaan ​​van meerdere vervormingsmechanismen. Hun ontdekking kan de sleutel zijn tot het ontwerpen van nieuwe structurele materialen voor toepassingen bij lage temperaturen.

Professor Wang Xunli, een nieuw gekozen Fellow van de Neutron Scattering Society of America, Voorzitter Hoogleraar en Afdelingshoofd Natuurkunde bij CityU, werkte samen met wetenschappers uit Japan en het vasteland van China bij het uitvoeren van dit uitdagende onderzoek naar het vervormingsgedrag van HEA's bij ultralage temperaturen. Hun onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het laatste nummer van het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , getiteld "Coöperatieve vervorming in legeringen met hoge entropie bij ultralage temperaturen."

Neutronenverstrooiing:een krachtig meetinstrument

HEA's zijn een nieuwe klasse van structurele materialen met gunstige mechanische eigenschappen, zoals een uitstekende sterkte-ductiliteit combinatie, hoge breuktaaiheid, en weerstand tegen corrosie. Het bestaat uit meerdere hoofdelementen, bijdragen aan complex vervormingsgedrag.

Materialen worden normaal gesproken broos bij lage temperaturen omdat de atomen "bevroren" zijn en hun mobiliteit verliezen. Maar HEA's vertonen een hoge ductiliteit en kunnen bij lage temperaturen worden uitgerekt tot een grote vervorming. "Dit fenomeen werd voor het eerst ontdekt in 2014, maar het mechanisme erachter is nog onbekend. Het is intrigerend, " zei professor Wang, die het mechanisme sindsdien heeft bestudeerd en de corresponderende auteur van het artikel is.

Om deze puzzel op te lossen, het onderzoeksteam onder leiding van professor Wang maakte gebruik van de in-situ neutronendiffractietechniek om het vervormingsproces van HEA's te bestuderen. "Neutronendiffractiemeting is een van de weinige manieren om te observeren wat er gebeurt tijdens de vervorming van het materiaal. We kunnen elke stap zien:welk mechanisme treedt als eerste in werking, en hoe elk van hen omgaat met de anderen, wat niet haalbaar is met conventionele experimentele methoden zoals transmissie-elektronenmicroscopie, "Professor Wang legde uit.

"Belangrijker, het kan metingen uitvoeren bij ultra-lage temperaturen, d.w.z., bijna het absolute nulpunt. En de metingen zijn representatief voor het grootste deel van het monster in plaats van van het oppervlak of het gelokaliseerde gebied, het verstrekken van microscopische informatie zoals hoe verschillende korrels van de materialen met elkaar in wisselwerking staan, " hij voegde toe.

Opeenvolging van vervormingsmechanismen onthuld

Met behulp van deze techniek, de opeenvolging van vervormingsmechanismen in HEA's bij ultra-lage temperaturen wordt voor het eerst onthuld. Het team ontdekte dat bij 15 Kelvin (K), de HEA vervormt in vier fasen.

Het begint met de dislocatie slip, een gemeenschappelijk vervormingsmechanisme voor face-centered-cubic materialen, waar de vlakken van het kristalrooster over elkaar schuiven. Terwijl de dislocaties doorgaan, stapelfouten worden geleidelijk actief en dominant wanneer de stapelvolgorde van kristalroostervlakken wordt veranderd door de vervorming. Daarna volgt een twinning, waar de verkeerde oriëntatie van roostervlakken optreedt, resulterend in een spiegelbeeld van het moederkristal. Eindelijk, het gaat over in vertandingen waar de HEA grote oscillaties van vervormingsspanning vertoont.

"Het is interessant om te zien hoe deze mechanismen actief worden en met elkaar samenwerken wanneer het materiaal vervormt, " zei Mohammed Naeem, een afstuderen Ph.D. student en senior onderzoeksassistent van CityU's Department of Physics, wie is de eerste auteur van het artikel.

In hun experimenten, ze vonden dat de HEA's een hogere en stabielere spanningsverharding vertoonden (waarbij materialen sterker en harder worden na vervorming), en buitengewoon hoge ductiliteit naarmate de temperatuur daalde. Op basis van de kwantitatieve analyse van hun in-situ experimentele gegevens, ze concludeerden dat de drie aanvullende vervormingsmechanismen - stapelfouten, tweeling, en kartels - evenals de interactie tussen deze mechanismen, zijn de bron van die buitengewone mechanische eigenschappen.

Een nieuw terrein:vervormingen bij ultralage temperaturen

De hele studie kostte het team bijna drie jaar, en zal het fenomeen blijven bestuderen. "Gecompliceerde vervormingsmechanismen in HEA's bij ultralage temperaturen is nieuw terrein dat maar heel weinig mensen eerder hebben verkend. De bevindingen van deze studie tonen slechts het topje van de ijsberg, zei professor Wang.

Voor hun volgende stap, het team zal verder onderzoeken wanneer er stapelfouten optreden in andere legeringen, en analyseren hun vervormingsmechanismen bij verschillende temperaturen. "Het begrijpen van vervormingsmechanismen zal het ontwerp van nieuwe legeringen vergemakkelijken. Door verschillende mechanismen in synergie in te zetten, we kunnen ze afstemmen om betere mechanische eigenschappen te bereiken voor toepassingen bij lage temperaturen, ' zei meneer Naeem.