Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee, Knoxville, har hittat ett sätt att samtidigt öka styrkan och duktiliteten hos en legering genom att införa små fällningar i dess matris och justera deras storlek och avstånd. Fällningarna är fasta ämnen som separeras från metallblandningen när legeringen svalnar. Resultaten, publiceras i tidskriften Natur , kommer att öppna nya vägar för att utveckla konstruktionsmaterial.

Duktilitet är ett mått på ett materials förmåga att genomgå permanent deformation utan att gå sönder. Det bestämmer, bland annat, hur mycket ett material kan förlängas innan det spricker och om det kommer att vara graciöst eller katastrofalt. Ju högre styrka och duktilitet, desto segare material.

"En helig gral av konstruktionsmaterial har länge varit, hur förbättrar du styrka och duktilitet samtidigt?" sa Easo George, huvudutredare av studien och guvernörsordförande för avancerad legeringsteori och utveckling vid ORNL och UT. "Att besegra avvägningen mellan styrka och duktilitet kommer att möjliggöra en ny generation av lätta, stark, skadetoleranta material."

Om konstruktionsmaterial kunde bli starkare och mer sega, komponenter i bilar, flygplan, kraftverk, byggnader och broar skulle kunna byggas med mindre material. Lättare fordon skulle vara mer energieffektiva att tillverka och använda, och tuffare infrastruktur skulle vara mer motståndskraftig.

Medansvarig utredare Ying Yang från ORNL skapade och ledde Natur studie. Styrd av beräkningstermodynamiska simuleringar, hon designade och skräddarsydda modelllegeringar med den speciella förmågan att genomgå en fasomvandling från en ansiktscentrerad kubik, eller FCC, till en kroppscentrerad kubik, eller BCC, kristallstruktur, drivs av förändringar i antingen temperatur eller stress.

"Vi placerade nanofällningar i en transformerbar matris och kontrollerade noggrant deras attribut, som i sin tur styrde när och hur matrisen transformerades, " sade Yang. "I detta material, vi inducerade avsiktligt matrisen att ha förmågan att genomgå en fastransformation."

Legeringen innehåller fyra huvudämnen - järn, nickel, aluminium och titan – som bildar matrisen och fäller ut, och tre mindre grundämnen - kol, zirkonium och bor - som begränsar storleken på korn, enskilda metallkristaller.

Forskarna höll noggrant sammansättningen av matrisen och den totala mängden nanoutfällningar densamma i olika prover. Dock, de varierade fällningsstorlekar och avstånd genom att justera bearbetningstemperaturen och tiden. För jämförelse, en referenslegering utan fällningar men med samma sammansättning som matrisen för den fällningsinnehållande legeringen framställdes och testades också.

"Ett materials styrka beror vanligtvis på hur nära fällningarna är varandra, " sa George. "När du gör dem några nanometer [miljarddelar av en meter] i storlek, de kan vara mycket tätt placerade. Ju tätare de är placerade, desto starkare blir materialet."

Medan nanoutfällningar i konventionella legeringar kan göra dem superstarka, de gör också legeringarna mycket spröda. Teamets legering undviker denna sprödhet eftersom fällningarna utför en andra användbar funktion:genom att spatialt begränsa matrisen, de hindrar den från att omvandlas under en termisk släckning, en snabb nedsänkning i vatten som kyler legeringen till rumstemperatur. Följaktligen, matrisen förblir i ett metastabilt FCC-tillstånd. När legeringen sedan sträcks ("strained"), den omvandlas successivt från metastabil FCC till stabil BCC. Denna fasomvandling under töjning ökar styrkan samtidigt som adekvat duktilitet bibehålls. I kontrast, legeringen utan fällningar omvandlas helt till stabil FCC under den termiska kylningen, vilket förhindrar ytterligare omvandling under silning. Som ett resultat, den är både svagare och sprödare än legeringen med fällningar. Tillsammans, de komplementära mekanismerna för konventionell nederbördsförstärkning och deformationsinducerad transformation ökade styrkan med 20%-90% och töjningen med 300%.

"Att lägga till fällningar för att blockera dislokationer och göra material ultrastarka är välkänt, ", sa George. "Vad som är nytt här är att justering av avståndet mellan dessa utfällningar också påverkar fastransformationsbenägenheten, som gör att flera deformationsmekanismer kan aktiveras efter behov för att förbättra duktiliteten."

Studien avslöjade också en överraskande vändning av den normala stärkande effekten av nanoutfällningar:en legering med grova, utfällningar med stora avstånd är starkare än samma legering med fina, tätt åtskilda fällningar. Denna omkastning sker när nanoutfällningarna blir så små och tätt packade att fasomvandlingen i huvudsak stängs av under töjning av materialet, inte olikt omvandlingen som undertrycktes under den termiska kylningen.

Denna studie förlitade sig på kompletterande tekniker utförda vid DOE Office of Science användaranläggningar vid ORNL för att karakterisera nanofällningar och deformationsmekanismer. Vid Centrum för Nanophase Materials Sciences, atomsondstomografi visade storleken, fördelning och kemisk sammansättning av utfällningar, medan transmissionselektronmikroskopi exponerade atomistiska detaljer i lokala regioner. Vid högflödesisotopreaktorn, liten vinkel neutronspridning kvantifierade fördelningen av fina fällningar. Och vid spallationsneutronkällan, neutrondiffraktion undersökte fasomvandlingen efter olika nivåer av stam.

"Denna forskning introducerar en ny familj av strukturella legeringar, "Yang sa. "Utfällningsegenskaper och legeringskemi kan skräddarsys exakt för att aktivera deformationsmekanismer exakt när det behövs för att motverka avvägningen mellan styrka och duktilitet."

Därefter kommer teamet att undersöka ytterligare faktorer och deformationsmekanismer för att identifiera kombinationer som ytterligare kan förbättra de mekaniska egenskaperna.

Det visar sig, det finns mycket utrymme för förbättringar. "Dagens strukturella material realiserar bara en liten bråkdel - kanske bara 10% - av sina teoretiskt kapabla styrkor, ", sa George. "Föreställ dig viktbesparingarna som skulle vara möjliga i en bil eller ett flygplan - och de energibesparingar som följde - om denna styrka kunde fördubblas eller tredubblas samtidigt som adekvat duktilitet bibehålls."

Titeln på Natur papper är "Bifunktionella nanofällningar stärker och duktilerar en legering med medelhög entropi."