En internationell forskargrupp ledd av forskare från City University of Hong Kong (CityU) har nyligen upptäckt att högentropilegeringar (HEA) uppvisar exceptionella mekaniska egenskaper vid ultralåga temperaturer på grund av samexistensen av flera deformationsmekanismer. Deras upptäckt kan vara nyckeln till att designa nya strukturella material för applikationer vid låga temperaturer.

Professor Wang Xunli, en nyvald fellow i Neutron Scattering Society of America, Ordförande professor och prefekt för institutionen för fysik vid CityU, samarbetade med forskare från Japan och Kina för att genomföra denna utmanande studie om HEAs deformationsbeteende vid ultralåga temperaturer. Deras forskningsresultat publicerades i det senaste numret av den vetenskapliga tidskriften Vetenskapens framsteg , med titeln "Kooperativ deformation i högentropilegeringar vid ultralåga temperaturer."

Neutronspridning:ett kraftfullt mätverktyg

HEA är en ny klass av konstruktionsmaterial med gynnsamma mekaniska egenskaper, såsom en utmärkt kombination av styrka-duktilitet, hög brottseghet, och motstånd mot korrosion. Den består av flera huvudelement, bidrar till komplexa deformationsbeteenden.

Material blir normalt spröda vid låga temperaturer eftersom atomerna är "frusna" och förlorar sin rörlighet. Men HEAs uppvisar hög duktilitet och kan sträckas till en stor deformation vid låga temperaturer. "Det här fenomenet upptäcktes först 2014, men mekanismen bakom är fortfarande okänd. Det är spännande, sa professor Wang, som har studerat mekanismen sedan dess och är motsvarande författare till uppsatsen.

För att lösa detta pussel, forskargruppen ledd av professor Wang använde sig av in-situ neutrondiffraktionsteknik för att studera deformationsprocessen av HEA. "Neutrondiffraktionsmätning är ett av få sätt att observera vad som händer under materialens deformation. Vi kan se varje steg:vilken mekanism som startar först, och hur var och en av dem interagerar med de andra, vilket inte är genomförbart med konventionella experimentella metoder som transmissionselektronmikroskopi, " förklarade professor Wang.

"Mer viktigt, den kan utföra mätningar vid ultralåga temperaturer, dvs. nära absolut noll. Och mätningarna är representativa för huvuddelen av provet snarare än från ytan eller det lokala området, tillhandahålla mikroskopisk information som hur olika korn av materialen interagerar med varandra, " han lade till.

Sekvens av deformationsmekanismer avslöjade

Genom att använda denna teknik, sekvensen av deformationsmekanismer i HEAs vid ultralåga temperaturer avslöjas för första gången. Teamet fick reda på att vid 15 Kelvin (K), HEA deformeras i fyra steg.

Det börjar med dislokationsglidningen, en vanlig deformationsmekanism för ansiktscentrerade kubiska material, där kristallgittrets plan glider över varandra. Medan luxationerna fortsätter, staplingsfel blir gradvis aktiva och dominerande där staplingssekvensen av kristallgitterplan förändras av deformationen. Det följs sedan av twinning, där felorienteringen av gitterplanen inträffar, vilket resulterar i en spegelbild av moderkristall. Till sist, den övergår till tandningar där HEA visar stora svängningar av deformerande spänningar.

"Det är intressant att se hur dessa mekanismer blir aktiva och samverkar med varandra när materialet deformeras, sade Muhammad Naeem, en examen Ph.D. student och senior forskarassistent från CityU:s institution för fysik, som är den första författaren till tidningen.

I sina experiment, de fann att HEAs visade en högre och mer stabil töjningshärdning (där material blir starkare och hårdare efter deformation), och extremt hög duktilitet när temperaturen minskade. Baserat på den kvantitativa analysen av deras in-situ experimentella data, de drog slutsatsen att de tre observerade ytterligare deformationsmekanismer - staplingsfel, vänortssamarbete, och serrationer – såväl som interaktionen mellan dessa mekanismer, är källan till dessa extraordinära mekaniska egenskaper.

En ny terräng:deformationer vid ultralåga temperaturer

Hela studien tog teamet nästan tre år, och kommer att fortsätta studera fenomenet. "Komplicerade deformationsmekanismer i HEAs vid ultralåga temperaturer är ny terräng som väldigt få människor har utforskat tidigare. Resultaten av denna studie visar bara toppen av isberget, sa professor Wang.

För deras nästa steg, teamet kommer att undersöka ytterligare när staplingsfel kommer att uppstå i andra legeringar, och analysera deras deformationsmekanismer vid olika temperaturer. "Att förstå deformationsmekanismer kommer att underlätta designen av nya legeringar. Genom att använda olika mekanismer i synergi, vi kan trimma dem för att uppnå bättre mekaniska egenskaper för applikationer vid låga temperaturer, sa herr Naeem.