Forbedret styrke og duktilitet i en legering med høj entropi via bestilte iltkomplekser

Oxygen er et rigeligt element, der kan danne uønskede urenheder eller keramiske faser i metalliske materialer, mens doping af elementet på metal kan gøre substrater sprøde. Under interaktioner med metalliske legeringer, oxygen tager en tilstand mellem oxidpartikler og hyppigt forekommende tilfældige interstitialer for at danne bestilte iltkomplekser. I en ny undersøgelse, materialeforskere Zhinfeng Lei og kolleger observerede, at i modsætning til traditionel interstitiel styrkelse, sådanne ordnede interstitielle komplekser kunne danne højentropi-legeringer (HEA'er) med en hidtil uset forbedring i styrke og duktilitet i sammensætningskomplekse komplekse faste opløsninger. Da forskerne dopede en model TiZrHfNb HEA med 2,0 atomprocent (2 ved%) ilt, de observerede væsentligt forbedret trækstyrke og duktilitet, bryde en mangeårig konflikt om styrke og afvejning.

Engineering stærk, hårde (skadetolerante) materialer kræver traditionelt at gå på kompromis mellem hårdhed og formbarhed. I den nye undersøgelse, iltkomplekser blev strukturelt ordnet i nanoskalaområder inden for HEA præget af ilt, zirconium og titanium (O, Zr, Ti) -rige atomkomplekser. Dannelse af disse komplekser blev fremmet ved kemisk kortdistanceordning blandt matrixelementer inden for HEA'erne. I ansigtscentrerede kubiske HEA'er, carbon blev rapporteret at forbedre styrke og duktilitet ved at sænke stablingsfejlenergi og øge gitterfriktionsspændingen.

Derimod, bestilte interstitielle komplekser beskrevet af Lei et al. medierede en stammehøstningsmekanisme med potentiale til specifik brug i Ti, Zr, og Hf (Hafnium) -holdige legeringer. Interstitielle elementer er normalt meget uønskede i sådanne metallegeringer på grund af deres sprødhedseffekter, og da tuning af stablingsfejlenergien og udnyttelse af termisk overførsel ikke tidligere havde ført til ejendomsforbedring i andre legeringer. De nye undersøgelsesresultater gav derfor indsigt i rollen som interstitielle faste løsninger og de tilhørende mekanismer til styrkelse af metalliske materialer. Værket er nu offentliggjort i Natur .

I undersøgelsen, forskerne undersøgte grundlegeringen TiZrHfNb og dens optimalt iltdopede variant (TiZrHfNb) ₉₈ O ₂ (betegnet O-2 HEA her på) til sammenligning, sammen med en interstitiel variant med 2,0 atomprocent nitrogen (TiZrHfNb) ₉₈ N ₂ , hidtil kaldet N-2 HEA. Mekaniske egenskaber for de tre typer HEA'er blev observeret ved anvendelse af træk-spænding-belastningskurver. En stærk styrkende effekt blev observeret for både ilt- og nitrogendoperede HEA'er. Som forventet fra konventionel interstitiel styrkelse, duktiliteten af ​​N-2 HEA reduceret. Tilsætning af 0,2 at% (atomprocent) ilt til basis -HEA (TiZrHfNb) forbedrede dets styrke og duktilitet. En betydelig arbejdshærdende effekt blev observeret for O-2 HEA sammenlignet med base-HEA og N-2 HEA, at bibringe en uventet stigning i duktilitet til det oxygen -dopede materiale. Tilsætning af mere end 3,0 at% ilt, imidlertid, ført til forringelse af de observerede mekaniske egenskaber.

For at forstå den bagvedliggende mekanisme for denne uregelmæssige, interstitiel fastopløsningsforstærkende effekt observeret med oxygendopede materialer, nanostrukturer af materialer blev undersøgt i atomskala. For det, forskerne brugte først synkrotron-højenergirøntgen-røntgendiffraktionsmønstre (XRD) for HEA-basen sammenlignet med de to legeringsvarianter af O-2 og N-2 HEA. Resultaterne viste, at tilsætning af enten nitrogen eller oxygen til basis-HEA ikke ændrede dets enfasede kropscentrerede kubiske (b.c.c) struktur. Denne observation blev bekræftet af elektron-back-spredning diffraktion kortlægning. I scanningstransmissionselektronmikroskopet højvinklet ringformet mørkfeltmikrograf (STEM-HAADF) billeder af O-2 HEA; lyse atomer var repræsenteret i mørk kontrast, mens tunge atomer blev afbildet lyse.

Observationerne afslørede områder med lette atomer (Ti, Zr-rige) og områder rige på tunge atomer (Nb, Hf-rige) i O-2 HEA. Lignende zoner optrådte også i STEM-billeder af basen og N-2 HEA'er for at bekræfte kemisk kortdistanceordre blandt de metalliske matrixelementer som et iboende træk ved HEA'er. Under deformation i en af ​​de tre legeringer, ingen fasetransformation skete. Ex-situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) og in-situ mekanisk test bekræftede, at deformation af de tre legeringer skete på samme måde via processen med dislokationsglide.

Statistisk analyse af STEM-HAADF og tilsvarende ringformede lysfelt (ABF) -billeder udført derefter viste, at oxygen foretrak interstitielle positioner ved siden af ​​lys-atomrige gittersteder. En sådan præference blev ikke observeret i N-2 HEA. I overensstemmelse med den solid-solution-styrkende model, der foreslås af Fleischer, beregningerne for O-2 og N-2 HEA'er bekræftede, at deres hærdningsmekanismer var af interstitiel karakter. Endnu, i modsætning til traditionel interstitiel styrkelse, der sprød legeringer, tilstedeværelsen af ​​ilt øgede samtidig både styrke og duktilitet i b.c.c TiZrHfNb HEA.

Det centrale spørgsmål, der stilles ved understrukturanalysen, er, hvorfor tilsætning af interstitiel ilt i høj grad forbedrede legeringens arbejdshærdningskapacitet og duktilitet, sammenlignet med nitrogenholdige komplekser. Under plastisk deformation, dislokationer lagres og arrangeres typisk i ordnede mønstre i metallegeringer. For at studere sådanne dislokationsmønstre mere detaljeret, forskerne gennemførte højopløselige aberrationskorrigerede STEM-karakteriseringer af præ-belastede prøver. På nanoskala, iltholdige komplekser forvrængede det lokale gitter kraftigt, forårsager et stort belastningsfelt omkring dem. Under deformation, de bestilte iltkomplekser (OOC'er) interagerede med dislokationer som afsløret af STEM -billeder. For yderligere at belyse de iboende mekanismer i atomskalaen, forskerne gennemførte aberrationskorrigeret STEM. På dette tidspunkt, de observerede, at de iboende egenskaber ved OOC'er i O-2 HEA-legeringsvarianten muliggjorde høj arbejdshærdning på grund af dipolære vægge, der opstod med stigende belastning, der til sidst førte til højere duktilitet i de oxygendopede materialer. Sådanne komplekse dislokationsdynamikker blev ikke observeret for N-2 HEA, hvilket fører til relativt beskeden duktilitet som følge heraf.

Resultaterne af Lei et al. viste, at konflikten mellem styrke og duktilitet kunne overvindes for en klasse metallegeringer (HEA'er), mens man demonstrerer en helt ny type belastningshærdningsmekanisme baseret på ordnede interstitielle komplekser. Den resulterende høje belastningshærdende reserve førte til øget styrke og sejhed. I sig selv, basen HEA (TiZrHfNb) er ikke egnet til brug i applikationer med høj temperatur på grund af oxidationsproblemer. Legering med antioxidantelementer som Al, Si og Cr kunne forbedre modstandsdygtigheden over for oxidation med HEA'er - som også tidligere set i HEA -designs. Forfatterne anbefaler at anvende sådanne ordnede interstitielle styrkemekanismer på en bredere vifte af andre legeringsklasser for forbedret styrke-duktilitet og belastningshærdning under udviklingen af ​​avancerede materialer.

© 2018 Science X Network