Schematiskt diagram som illustrerar mekanismen för plastisk deformation i den kubiska strukturen av den syrerika högentropilegeringen (HEA). a) I legeringarna med syrehög entropi, de ordnade syrekomplexen (OOC) verkade på dislokationer i mekaniska stamstudier. b) Under de inledande stadierna av plastisk deformation, den plana glidningen rådde fortfarande. c) När dislokationerna påträffade allvarligt förvrängda interstitiellt berikade OOC, cross-slip främjas på grund av deras starka nålningseffekter. d) Detta resulterar i massiva dislokationsmultiplikationer. e) Fler och fler dislokationer fastnas av OOC, och dipolära väggar uppstod när spänningen ökade för att främja arbetshärdning av materialet, leder så småningom till högre duktilitet. Kredit:Nature, doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0685-y
Syre är ett rikligt grundämne som kan bilda oönskade föroreningar eller keramiska faser i metalliska material, medan dopning av elementet på metall kan göra substraten spröda. Under interaktioner med metallegeringar, syre tar ett tillstånd mellan oxidpartiklar och ofta förekommande slumpmässiga mellanrum för att bilda ordnade syrekomplex. I en ny studie, materialvetare Zhinfeng Lei och medarbetare observerade att till skillnad från traditionell interstitiell förstärkning, sådana ordnade interstitiella komplex kan bilda högentropilegeringar (HEA) med oöverträffad förbättring av styrka och duktilitet i sammansättningsmässigt komplexa fasta lösningar. När forskarna dopade en modell TiZrHfNb HEA med 2,0 atomprocent (2 at%) syre, de observerade avsevärt förbättrad draghållfasthet och duktilitet, bryta en långvarig konflikt om avvägning mellan styrka och duktilitet.
Ingenjörsstark, tuffa (skadetoleranta) material kräver traditionellt att man gör en kompromiss mellan hårdhet och duktilitet. I den nya studien, syrekomplex ordnades strukturellt i nanoskalaregioner inom HEA som kännetecknas av syre, zirkonium och titan (O, Zr, Ti)-rika atomkomplex. Bildandet av dessa komplex främjades av kemisk kortdistansordning bland matriselement inom HEA. I ansiktscentrerade kubiska HEAs, kol rapporterades förbättra styrkan och duktiliteten genom att sänka staplingsfelenergin och öka gitterfriktionsspänningen.
Däremot ordnade interstitiella komplex beskrivna av Lei et al. förmedlade en stamupptagningsmekanism med potential för specifik användning i Ti, Zr, och Hf (hafnium)-haltiga legeringar. Mellanliggande element är vanligtvis mycket oönskade i sådana metallegeringar på grund av deras försprödningseffekter och eftersom justering av staplingsfelenergin och utnyttjande av termisk överföring inte tidigare har lett till egenskapsförbättring i andra legeringar. De nya studieresultaten gav därför insikt i rollen av interstitiella fasta lösningar och de associerade mekanismerna för att stärka metalliska material. Verket är nu publicerat i Natur .
Mekaniska egenskaper. a) Dragspännings-töjningskurvor vid rumstemperatur för den gjutna TiZrHfNb (betecknad som baslegering), (TiZrHfNb)98O2 (betecknad som O-2) och (TiZrHfNb)98N2 (betecknad som N-2) HEAs. σy är sträckgränsen (kvadrater), σUTS är den ultimata styrkan (diamanter) och ε är förlängningen (cirklar). Insättningen visar motsvarande töjningshärdningssvar (dσ/dε). En högre arbetshärdningshastighet observeras för O-2 HEA-varianten (TiZrHfNb)98O2 jämfört med basen HEA TiZrHfNb och N-2 HEA (TiZrHfNb)98N2. b) Förändringar i styrka och duktilitet som observerats för de HEA som introduceras här, i förhållande till flera typer av etablerade högpresterande legeringar. Referenssystemen är Ti6Al4V, β-Ti-legeringar, niob, vanadin, interstitiellt fritt stål och 316 austenitiska rostfria stål. Legeringarnas mellanliggande syre- eller kvävehalt anges för jämförelse. Kredit:Nature, doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0685-y
I studien, forskarna undersökte baslegeringen TiZrHfNb och dess optimalt syrgasdopade variant (TiZrHfNb) 98 O 2 (betecknas som O-2 HEA här på) för jämförelse, tillsammans med en interstitiell variant med 2,0 atomprocent kväve (TiZrHfNb) 98 N 2 , hittills kallat N-2 HEA. Mekaniska egenskaper hos de tre typerna av HEA observerades med användning av dragspänning-töjningskurvor. En stark stärkande effekt observerades för både syre- och kvävedopade HEA. Som förväntat av konventionell mellanliggande förstärkning, duktiliteten hos N-2 HEA minskade. Tillsats av 0,2 at% (atomprocent) syre till basen HEA (TiZrHfNb) förbättrade dess styrka och duktilitet. En betydande arbetshärdande effekt observerades för O-2 HEA jämfört med bas-HEA och N-2 HEA, för att ge det syredopade materialet en oväntad ökning av duktiliteten. Tillsats av mer än 3,0 at% syre, dock, ledde till försämring av de observerade mekaniska egenskaperna.
Mikroskopisk struktur. a, b) Synkrotron-högenergi-XRD och motsvarande elektron-bakåtspridningsdiffraktionsmönster för den gjutna ekviatomiska TiZrHfNb och de interstitiellt dopade HEA:erna i fast lösning. Alla as-cast HEAs har singel f.c.c. gitterstruktur. c–e) STEM-HAADF-bilder för [011] b.c.c. kristallaxel med olika justerad kontrast för att avslöja förekomsten av kemisk kortdistansordning i O-2 HEA (TiZrHfNb)98O2, och motsvarande STEM-ABF-bild som avslöjar de ordnade syrekomplexen (OOC). Röda rutor representerar de Zr/Ti-rika regionerna och gula rutor indikerar de Hf/Nb-rika regionerna. Insättningen i e är en förstorad bild av OOCs, med de vita pilarna som indikerar positionerna för syreatomkolonnerna. f) Atomsondstomografi tredimensionell rekonstruktion från analys av ett prov från O-2 HEA. Tröskeln för iso-sammansättningsytan är 3,0 at% O, belyser förekomsten av OOC. g) O-sammansättningsprofil som en funktion av avståndet till gränsytan för ett urval av partiklar (vänster axel) och utveckling av sammansättningen av huvudbeståndsdelarna i förhållande till deras respektive matrissammansättning (höger axel). Infällningen visar en närbild av en sådan OOC, tillsammans med {011} atomplanet som avbildas i rekonstruktionen. Ni är numret på den i:te atomen, medan Ci och Ci, matris är koncentrationerna av den i:e atomen i OOCs och i matrisen, respektive. Kredit:Nature, doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0685-y
För att förstå den underliggande mekanismen för denna anomala, interstitiell fastlösningsförstärkande effekt observerad med syredopade material, nanostrukturer av material undersöktes på atomär skala. För detta, forskarna använde först synkrotron-högenergiröntgendiffraktionsmönster (XRD) av bas-HEA jämfört med de två legeringsvarianterna O-2 och N-2 HEA. Resultaten visade att tillsats av antingen kväve eller syre till basen HEA inte förändrade dess enfasiga kroppscentrerade kubiska (b.c.c.) struktur. Denna observation bekräftades av elektron-bakåtspridningsdiffraktionskartläggning. I scanningstransmissionselektronmikroskopet högvinklade ringformade mörkfältsmikrofotografier (STEM-HAADF) bilder av O-2 HEA; ljusa atomer representerades i mörk kontrast, medan tunga atomer avbildades ljusa.
Observationerna avslöjade områden med lätta atomer (Ti, Zr-rika) och regioner rika på tunga atomer (Nb, Hf-rik) i O-2 HEA. Liknande zoner dök också upp i STEM-bilder av basen och N-2 HEAs för att bekräfta kemisk kortdistansordning bland de metalliska matriselementen som en inneboende egenskap hos HEAs. Under deformation i någon av de tre legeringarna, ingen fastransformation inträffade. Ex-situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) och in-situ mekanisk testning bekräftade att deformation av de tre legeringarna skedde på liknande sätt via processen med dislokationsglidning.
Dislokationsrörelser under deformation av O-2 HEA. Kredit:Nature, doi:10.1038/s41586-018-0685-y
Statistisk analys av STEM-HAADF och motsvarande bilder med ringformigt ljusfält (ABF) som utfördes därefter visade att syre föredrog mellanliggande positioner intill ljusatomrika gitterställen. Sådan preferens observerades inte i N-2 HEA. I enlighet med den solida lösningsförstärkningsmodellen som föreslagits av Fleischer, beräkningarna för O-2 och N-2 HEA bekräftade att deras härdningsmekanismer var av interstitiell natur. Än, till skillnad från traditionell interstitiell förstärkning som sköra legeringar, närvaron av syre ökade samtidigt både styrka och duktilitet i b.c.c TiZrHfNb HEA.
Nyckelfrågan som ställs av understrukturanalysen är varför tillsatsen av interstitiellt syre avsevärt förbättrade legeringens härdningsförmåga och duktilitet, jämfört med kväveinnehållande komplex. Under plastisk deformation, dislokationer lagras och arrangeras vanligtvis i ordnade mönster i metallegeringar. För att studera sådana dislokationsmönster mer i detalj, forskarna genomförde högupplösta aberrationskorrigerade STEM-karakteriseringar av föransträngda prover. På nanoskala, syrehaltiga komplex förvrängde det lokala gittret allvarligt, orsakar ett stort spänningsfält runt dem. Under deformation, de ordnade syrekomplexen (OOC) interagerade med dislokationer som avslöjades av STEM-bilder. För att ytterligare belysa de inneboende mekanismerna på atomär skala, forskarna genomförde aberrationskorrigerad STEM. Vid denna tidpunkt, de observerade att de inneboende egenskaperna hos OOC i O-2 HEA-legeringsvarianten möjliggjorde hög arbetshärdning på grund av dipolära väggar som uppstod med ökande spänningar som så småningom ledde till högre duktilitet i de syredopade materialen. Sådan komplex-dislokationsdynamik observerades inte för N-2 HEA, vilket leder till jämförelsevis blygsam duktilitet.
Deformationsläge. a) STEM-bild av TiZrHfNb-basen HEA vid 8% dragpåkänning (de gula pilarna indikerar de koplanära dislokationsmatriserna). b) STEM-bild av O-2 HEA vid 8 % dragpåkänning (de röda pilarna indikerar de dipolära väggarna). c) STEM-bild av N-2 HEA vid 8 % dragpåkänning (de gula pilarna indikerar de plana glidbanden). Typisk plan glidning observeras i bas-HEA och i den kvävedopade legeringsvarianten N-2 HEA. Dock, vågig glidning dominerar deformation av den syredopade varianten O-2 HEA, vilket tyder på att syretillsats leder till ett plastiskt deformationsläge som domineras av vågig glidning. Strålriktningen i a och c är [011] medan den i b är [001]. d) Dislokationsavstånd mellan TiZrHfNb-basen HEA och av de interstitiellt dopade varianterna O-2 och N-2 HEA:er undersökta under TEM-dragexperiment in situ. De vita pilarna representerar dislokationsavståndet. Det genomsnittliga dislokationsavståndet i O-2 HEA är mycket mindre än det i bas-HEA och i N-2 HEA. Felstaplarna är standardavvikelser av medelvärdet. Kredit:Nature, doi:10.1038/s41586-018-0685-y
Fynden av Lei et al. visade att styrka-duktilitetskonflikten kunde övervinnas för en klass av metallegeringar (HEA), samtidigt som de demonstrerar en helt ny typ av töjningshärdande mekanism baserad på ordnade interstitiella komplex. Den resulterande höga töjningshärdningsreserven ledde till ökad hållfasthet och duktilitet. Av sig själv, basen HEA (TiZrHfNb) är inte lämpad för användning i högtemperaturapplikationer på grund av oxidationsproblem. Legering med antioxidantelement som Al, Si och Cr kan förbättra motståndskraften mot oxidation med HEAs – vilket också tidigare sett i HEA-designer. Författarna rekommenderar tillämpning av sådana ordnade interstitiella förstärkningsmekanismer på ett bredare utbud av andra legeringsmaterialklasser för förbättrad hållfasthet-duktilitet och töjningshärdning under utvecklingen av avancerade material.
© 2018 Science X Network
