Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de University of Tennessee, Knoxville, hebben een manier gevonden om tegelijkertijd de sterkte en taaiheid van een legering te vergroten door kleine precipitaten in de matrix te introduceren en hun grootte en afstand af te stemmen. De precipitaten zijn vaste stoffen die zich afscheiden van het metaalmengsel als de legering afkoelt. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , zal nieuwe wegen openen voor het bevorderen van structurele materialen.

Ductiliteit is een maatstaf voor het vermogen van een materiaal om permanente vervorming te ondergaan zonder te breken. Het bepaalt, onder andere, hoeveel een materiaal kan uitrekken voordat het breekt en of dat breken gracieus of catastrofaal zal zijn. Hoe hoger de sterkte en taaiheid, hoe harder het materiaal.

"Een heilige graal van structurele materialen is al lang, hoe verbeter je tegelijkertijd sterkte en taaiheid?" zei Easo George, hoofdonderzoeker van de studie en Governor's Chair for Advanced Alloy Theory and Development bij ORNL en UT. "Het verslaan van de wisselwerking tussen sterkte en ductiliteit zal een nieuwe generatie lichtgewicht, sterk, schadebestendige materialen."

Als constructiematerialen sterker en taaier zouden kunnen worden, onderdelen van auto's, vliegtuigen, energiecentrales, gebouwen en bruggen zouden met minder materiaal gebouwd kunnen worden. Lichtere voertuigen zouden energiezuiniger zijn om te maken en te bedienen, en een sterkere infrastructuur zou veerkrachtiger zijn.

Co-hoofdonderzoeker Ying Yang van ORNL bedacht en leidde de Natuur studie. Geleid door computationele thermodynamische simulaties, ze ontwierp en maakte op maat gemaakte modellegeringen met het speciale vermogen om een ​​fasetransformatie te ondergaan van een kubusvormig, gecentreerd vlak, of FCC, tot een lichaamsgecentreerde kubieke, of BCC, kristal structuur, gedreven door veranderingen in temperatuur of stress.

"We hebben nanoprecipitaten in een transformeerbare matrix gestopt en hun eigenschappen zorgvuldig gecontroleerd, die op zijn beurt controleerde wanneer en hoe de matrix transformeerde, " zei Yang. "In dit materiaal, we hebben opzettelijk de matrix ertoe aangezet om een ​​fasetransformatie te ondergaan."

De legering bevat vier belangrijke elementen:ijzer, nikkel, aluminium en titanium - die de matrix vormen en neerslaan, en drie kleine elementen:koolstof, zirkonium en boor - die de grootte van korrels beperken, individuele metalen kristallen.

De onderzoekers hielden de samenstelling van de matrix en de totale hoeveelheid nanoprecipitaten in verschillende monsters zorgvuldig hetzelfde. Echter, ze varieerden precipitaatafmetingen en -afstanden door de verwerkingstemperatuur en -tijd aan te passen. Ter vergelijking, een referentielegering zonder precipitaten maar met dezelfde samenstelling als de matrix van de precipitaatbevattende legering werd ook bereid en getest.

"De sterkte van een materiaal hangt meestal af van hoe dicht de precipitaten bij elkaar zijn, George zei. "Als je ze een paar nanometer [miljardsten van een meter] groot maakt, ze kunnen heel dicht bij elkaar staan. Hoe dichter ze bij elkaar staan, hoe sterker het materiaal wordt."

Hoewel nanoprecipitaten in conventionele legeringen ze supersterk kunnen maken, ze maken de legeringen ook erg bros. De legering van het team vermijdt deze broosheid omdat de precipitaten een tweede nuttige functie vervullen:door de matrix ruimtelijk in te perken, ze voorkomen dat het transformeert tijdens een thermische quench, een snelle onderdompeling in water dat de legering afkoelt tot kamertemperatuur. Bijgevolg, de matrix blijft in een metastabiele FCC-toestand. Wanneer de legering vervolgens wordt uitgerekt ("gespannen"), het transformeert geleidelijk van metastabiele FCC naar stabiele BCC. Deze fasetransformatie tijdens het persen verhoogt de sterkte met behoud van voldoende ductiliteit. In tegenstelling tot, de legering zonder precipitaten transformeert volledig naar stabiele FCC tijdens de thermische quench, wat verdere transformatie tijdens het persen uitsluit. Als resultaat, het is zowel zwakker als brosser dan de legering met precipitaten. Samen, de complementaire mechanismen van conventionele precipitatieversterking en door vervorming geïnduceerde transformatie verhoogden de sterkte met 20%-90% en de verlenging met 300%.

"Het is bekend om precipitaten toe te voegen om dislocaties te blokkeren en materialen ultrasterk te maken. George zei. "Wat hier nieuw is, is dat het aanpassen van de afstand tussen deze precipitaten ook de neiging tot fasetransformatie beïnvloedt, waardoor meerdere vervormingsmechanismen kunnen worden geactiveerd als dat nodig is om de ductiliteit te verbeteren."

De studie onthulde ook een verrassende omkering van het normale versterkende effect van nanoprecipitaten:een legering met grove, wijd uit elkaar geplaatste precipitaten zijn sterker dan dezelfde legering met fijne, dicht bij elkaar gelegen precipitaten. Deze omkering vindt plaats wanneer de nanoprecipitaten zo klein en dicht opeengepakt worden dat de fasetransformatie in wezen wordt stopgezet tijdens het persen van het materiaal, niet anders dan de transformatie die werd onderdrukt tijdens de thermische quench.

Deze studie was gebaseerd op complementaire technieken die werden uitgevoerd bij de gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science bij ORNL om de nanoprecipitaten en vervormingsmechanismen te karakteriseren. Bij het Centrum voor Nanofase Materiaalwetenschappen, atoomprobe tomografie toonde de grootte, distributie en chemische samenstelling van precipitaten, terwijl transmissie-elektronenmicroscopie atomistische details van lokale regio's blootlegde. Bij de Hoge Flux Isotopen Reactor, neutronenverstrooiing onder een kleine hoek kwantificeerde de verdeling van fijne precipitaten. En bij de Spallation Neutronenbron, neutronendiffractie onderzocht de fasetransformatie na verschillende spanningsniveaus.

"Dit onderzoek introduceert een nieuwe familie van structurele legeringen, " zei Yang. "De eigenschappen van neerslag en legeringschemie kunnen precies worden aangepast om vervormingsmechanismen precies te activeren wanneer dat nodig is om de wisselwerking tussen sterkte en ductiliteit te dwarsbomen."

Vervolgens zal het team aanvullende factoren en vervormingsmechanismen onderzoeken om combinaties te identificeren die de mechanische eigenschappen verder kunnen verbeteren.

Het blijkt, er is veel ruimte voor verbetering. "De structurele materialen van vandaag realiseren slechts een klein deel - misschien slechts 10% - van hun theoretisch capabele sterke punten, George zei. "Stel je de gewichtsbesparing voor die mogelijk zou zijn in een auto of een vliegtuig - en de daaruit voortvloeiende energiebesparing - als deze sterkte zou kunnen worden verdubbeld of verdrievoudigd met behoud van voldoende taaiheid."

De titel van de Natuur paper is "Bifunctionele nanoprecipitaten versterken en vervormen een legering met gemiddelde entropie."