Stress-töjningskurva och dislokationskonfiguration/utveckling i MPEA. (A) är ett diagram över DDD-simuleringar för MPEA. Kredit:Li, Jia et al.
Ett forskarlag som leds av materialforskare från City University of Hong Kong (CityU) har nyligen upptäckt en ny mekanism för att öka styrkan och duktiliteten hos en högentropilegering, två egenskaper som normalt varierar omvänt med varandra. Resultaten ger viktiga insikter för den framtida designen av starka men ändå formbara högentropilegeringar och högentropi keramik.
Avvägningen mellan hållfasthet och duktilitet är en långvarig fråga för konventionella legeringar som vanligtvis är baserade på en eller två huvudelement, vilket innebär att en ökning av hållfastheten vanligtvis offra duktiliteten. Under det senaste decenniet föreslogs en ny legeringsdesignstrategi:att blanda flera element för att bilda legeringar, kallade "multi-principal element legeringar" (MPEA) eller "högentropi legeringar" (HEA). MPEA:er uppvisar utmärkta mekaniska egenskaper, såsom både stor duktilitet och suverän hållfasthet.
Dessa utmärkta mekaniska egenskaper tros härröra från allvarlig atomgitterdistorsion orsakad av slumpmässig blandning av flera huvudelement med distinkta atomstorlekar, bindningsvariationer och kristallstrukturskillnader, vilket i sin tur leder till en "heterogen gittertöjningseffekt." Det heterogena töjningsfältet (ett töjningsfält avser fördelningen av töjning genom en del av en kropp) är dock svårt att kvantifiera och karakterisera, så dess inverkan på förstärkning av legeringar via tredimensionell (3-D) dynamisk dislokation har ignorerats tills nyligen.
Men de senaste experimenten och en serie simuleringar gjorda av forskargruppen som leds av professor Yang Yong, vid CityU:s institution för maskinteknik, och professor Fang Qihong, vid Hunan University, visar att det heterogena töjningsfältet kan bidra till den förbättrade mekaniska egenskaper hos MPEA genom de nya heterogena töjningsinducerade förstärkningsmekanismerna, vilket leder till hållfasthet-duktilitetssynergi i legeringarna. Deras resultat publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) under titeln "Heterogena lattice strain-förstärkning i allvarligt förvrängda kristallina fasta ämnen."
"Läroböcker i materialvetenskap och teknik listar traditionellt fyra duktilitetsstärkande mekanismer:dislokationsförstärkande, lösta ämnen, korngränsförstärkning och nederbördsförstärkande," förklarade professor Yang. "Denna lärobokskunskap har lärts ut i hundratals år på universitet till studenter med huvudämne i materialvetenskap, maskinteknik och tillämpad fysik."
Karakterisering av dislokationsrörelse i legeringen med användning av diskret dislokationsdynamik (DDD) simuleringar. Kredit:Li, Jia et al.
"Nu har vi upptäckt en ny duktilitetsförstärkande mekanism genom experiment och numeriska simuleringar, som vi kallar "heterogen gittertöjningsförstärkning."
Till skillnad från traditionella förstärkningsmekanismer, som vanligtvis leder till en avvägning mellan styrka och duktilitet, främjar denna nyupptäckta förstärkningsmekanism styrka-duktilitetssynergi, vilket innebär att forskare kan öka styrkan och duktiliteten hos en högentropilegering samtidigt. "De nya fynden hjälper till att förklara många nya fynd vars mekanismer är under debatt och vägleder utvecklingen av nya starka, men ändå formbara metaller och keramik," tillade professor Yang.
I experimenten karakteriserade forskargruppen först gitterstammarna i högentropilegeringen FeCoCrNiMn med hjälp av tekniker som geometrisk fasanalys (GPA) baserad på högupplöst transmissionselektronmikroskopi (TEM). Den utförde sedan mikropelarkompressionstester för att studera hur dislokationer glider och tvärglidning i legeringen. Därefter utförde teamet omfattande simuleringar av diskret dislokationsdynamik (DDD) genom att införliva gitterstammarna som uppmätts experimentellt.
Experimenten visade att gitterpåkänningen inte bara begränsade dislokationsrörelsen, vilket förbättrade sträckgränsen, utan också främjade dislokationstvärglidning för att förbättra duktiliteten. Fynden visade den betydande effekten av det heterogena töjningsfältet på legeringens mekaniska egenskaper. De ger ett nytt perspektiv för att undersöka ursprunget till höghållfastheten hos högentropilegeringar och öppnar nya vägar för utveckling av avancerade kristallina material.
De kombinerade ansträngningarna av experimenten och datorsimuleringarna avslöjade de fysiska mekanismerna som underbygger styrka-duktilitetssynergin som observerades i experimenten. "Fynden av denna studie ger en grundläggande mekanism för att övervinna den hållfasthet-duktilitetsavvägning som traditionella legeringar står inför", säger professor Yang. + Utforska vidare
