Een onderzoeksteam onder leiding van materiaalwetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs een nieuw mechanisme ontdekt om de sterkte en ductiliteit van een legering met hoge entropie te vergroten, twee eigenschappen die normaal omgekeerd met elkaar variëren. De bevindingen bieden belangrijke inzichten voor het toekomstige ontwerp van sterke maar ductiele legeringen met hoge entropie en keramiek met hoge entropie.

De wisselwerking tussen sterkte en ductiliteit is een al lang bestaand probleem voor conventionele legeringen die meestal gebaseerd zijn op een of twee hoofdelementen, wat betekent dat het verhogen van de sterkte gewoonlijk de ductiliteit opoffert. In het afgelopen decennium werd een nieuwe ontwerpstrategie voor legeringen voorgesteld:het mengen van meerdere elementen om legeringen te vormen, genaamd "multi-principal element alloys" (MPEA's) of "high-entropy alloys" (HEA's). MPEA's vertonen uitstekende mechanische eigenschappen, zoals zowel grote taaiheid als uitstekende sterkte.

Aangenomen wordt dat deze uitstekende mechanische eigenschappen afkomstig zijn van ernstige atomaire roostervervorming die wordt veroorzaakt door de willekeurige vermenging van meerdere hoofdelementen met verschillende atomaire afmetingen, bindingsvariaties en kristalstructuurverschillen, wat op zijn beurt leidt tot een "heterogeen roostervervormingseffect". Het heterogene roosterrekveld (een spanningsveld verwijst naar de verdeling van spanning door een deel van een lichaam) is echter moeilijk te kwantificeren en te karakteriseren, dus de impact ervan op het versterken van legeringen via driedimensionale (3D) dynamische dislocatie is genegeerd tot voor kort.

Maar de laatste experimenten en een reeks simulaties uitgevoerd door het onderzoeksteam onder leiding van professor Yang Yong, van de afdeling Werktuigbouwkunde van CityU, en professor Fang Qihong van de Hunan University, tonen aan dat het heterogene spanningsveld zou kunnen bijdragen aan de verbeterde mechanische eigenschappen van MPEA's door de nieuwe heterogene spanningsgeïnduceerde versterkingsmechanismen, wat leidt tot sterkte-ductiliteitssynergie in de legeringen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) onder de titel "Heterogene roosterspanningsversterking in ernstig vervormde kristallijne vaste stoffen."

"Materialenwetenschap en technische leerboeken vermelden traditioneel vier ductiliteitsversterkende mechanismen:dislocatieversterking, opgeloste stofversterking, korrelgrensversterking en neerslagversterking", legt professor Yang uit. "Deze leerboekkennis wordt al honderden jaren op universiteiten onderwezen aan studenten met als hoofdvakken materiaalkunde, werktuigbouwkunde en toegepaste natuurkunde."

"Nu hebben we een nieuw mechanisme voor het versterken van de ductiliteit ontdekt door middel van experimenten en numerieke simulaties, die we 'heterogene roosterversterking' noemen."

In tegenstelling tot traditionele versterkingsmechanismen, die meestal leiden tot een compromis tussen sterkte en ductiliteit, bevordert dit nieuw ontdekte versterkingsmechanisme de synergie van sterkte en ductiliteit, wat betekent dat onderzoekers tegelijkertijd de sterkte en ductiliteit van een legering met hoge entropie kunnen verhogen. "De nieuwe bevindingen helpen bij het verklaren van veel recente bevindingen waarvan de mechanismen ter discussie staan ​​en begeleiden de ontwikkeling van nieuwe sterke, maar toch ductiele metalen en keramiek," voegde professor Yang eraan toe.

In de experimenten karakteriseerde het onderzoeksteam eerst de roosterstammen in de hoog-entropielegering FeCoCrNiMn met behulp van technieken zoals geometrische faseanalyse (GPA) op basis van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (TEM). Vervolgens voerde het micropijlercompressietests uit om te bestuderen hoe dislocaties glijden en kruislings slippen in de legering. Vervolgens voerde het team uitgebreide simulaties uit van discrete dislocatiedynamica (DDD) door de experimenteel gemeten roosterstammen op te nemen.

De experimenten toonden aan dat de roosterspanning niet alleen de dislocatiebeweging beperkte, waardoor de vloeigrens werd verbeterd, maar ook dislocatiedwarsverschuivingen bevorderde om de ductiliteit te verbeteren. De bevindingen toonden het significante effect aan van het heterogene spanningsveld op de mechanische eigenschappen van de legering. Ze bieden een nieuw perspectief om de oorsprong van de hoge sterkte van legeringen met hoge entropie te onderzoeken en openen nieuwe wegen voor de ontwikkeling van geavanceerde kristallijne materialen.

De gecombineerde inspanningen van de experimenten en computersimulaties onthulden de fysieke mechanismen die ten grondslag liggen aan de sterkte-ductiliteitssynergie die in de experimenten werd waargenomen. "De bevindingen van deze studie bieden een fundamenteel mechanisme om de wisselwerking tussen sterkte en ductiliteit waarmee traditionele legeringen worden geconfronteerd, te overwinnen", zei professor Yang. + Verder verkennen

Kleine neerslagen maken een groot verschil bij het verminderen van de afweging tussen sterkte en ductiliteit