Flertrins deformationsproces i højentropi-legeringer ved ultralave temperaturer afsløret

Et internationalt forskerhold ledet af forskere fra City University of Hong Kong (CityU) har for nylig opdaget, at højentropi-legeringer (HEA'er) udviser exceptionelle mekaniske egenskaber ved ultralave temperaturer på grund af sameksistensen af ​​flere deformationsmekanismer. Deres opdagelse kan være nøglen til at designe nye strukturelle materialer til applikationer ved lave temperaturer.

Professor Wang Xunli, en nyvalgt Fellow i Neutron Scattering Society of America, Professor og leder af Institut for Fysik ved CityU, samarbejdet med forskere fra Japan og det kinesiske fastland i at udføre denne udfordrende undersøgelse af HEA'ers deformationsadfærd ved ultralave temperaturer. Deres forskningsresultater blev offentliggjort i det seneste nummer af det videnskabelige tidsskrift Videnskabens fremskridt , med titlen "Kooperativ deformation i højentropi-legeringer ved ultralave temperaturer."

Neutronspredning:et kraftfuldt måleværktøj

HEA'er er en ny klasse af strukturelle materialer med gunstige mekaniske egenskaber, såsom en fremragende styrke-duktilitetskombination, høj brudsejhed, og modstand mod korrosion. Den består af flere hovedelementer, bidrager til kompleks deformationsadfærd.

Materialer bliver normalt sprøde ved lave temperaturer, fordi atomerne er "frosset" og mister deres mobilitet. Men HEA'er viser høj duktilitet og kan strækkes til en stor deformation ved lave temperaturer. "Dette fænomen blev først opdaget i 2014, men mekanismen bag det er stadig ukendt. Det er spændende, " sagde professor Wang, der har studeret mekanismen siden da og er den tilsvarende forfatter til papiret.

For at løse dette puslespil, forskerholdet ledet af professor Wang brugte in-situ neutrondiffraktionsteknikken til at studere deformationsprocessen af ​​HEA'er. "Neutrondiffraktionsmåling er en af ​​de få måder at observere, hvad der sker under materialernes deformation. Vi kan se hvert trin:hvilken mekanisme starter først, og hvordan hver af dem interagerer med de andre, hvilket ikke er muligt ved konventionelle eksperimentelle metoder som transmissionselektronmikroskopi, "forklarede professor Wang.

"Vigtigere, det kan udføre målinger ved ultralave temperaturer, dvs. nær det absolutte nul. Og målingerne er repræsentative for hovedparten af ​​prøven snarere end fra overfladen eller det lokale område, at give mikroskopisk information som hvordan forskellige korn af materialerne interagerede med hinanden, " han tilføjede.

Sekvens af deformationsmekanismer afsløret

Ved at bruge denne teknik, sekvensen af ​​deformationsmekanismer i HEA'er ved ultralave temperaturer afsløres for første gang. Holdet fandt ud af, at ved 15 Kelvin (K), HEA deformeres i fire trin.

Det begynder med forskydningen, en fælles deformationsmekanisme for fladecentrerede kubiske materialer, hvor krystalgitterets planer glider hen over hinanden. Mens dislokationerne fortsætter, stablingsfejl bliver gradvist aktive og dominerende, hvor stablingssekvensen af ​​krystalgitterplaner ændres af deformationen. Det efterfølges af twinning, hvor fejlorienteringen af ​​gitterplaner forekommer, hvilket resulterer i et spejlbillede af moderkrystal. Endelig, det går over til takker, hvor HEA viser store svingninger af deformerende spænding.

"Det er interessant at se, hvordan disse mekanismer bliver aktive og samarbejder med hinanden, når materialet deformeres, " sagde Muhammad Naeem, en afgangsph.d. studerende og senior videnskabelig assistent fra CityU's Institut for Fysik, hvem er den første forfatter til papiret.

I deres eksperimenter, de fandt ud af, at HEA'erne viste en højere og mere stabil tøjningshærdning (hvor materialer bliver stærkere og hårdere efter deformation), og overordentlig høj duktilitet, da temperaturen faldt. Baseret på den kvantitative analyse af deres in-situ eksperimentelle data, de konkluderede, at de tre observerede yderligere deformationsmekanismer - stablingsfejl, venskabsby, og savtakker – såvel som interaktionen mellem disse mekanismer, er kilden til disse ekstraordinære mekaniske egenskaber.

Et nyt terræn:Deformationer ved ultralave temperaturer

Hele undersøgelsen tog holdet næsten tre år, og vil fortsætte med at studere fænomenet. "Komplicerede deformationsmekanismer i HEA'er ved ultralave temperaturer er nyt terræn, som meget få mennesker har udforsket før. Resultaterne af denne undersøgelse viser kun toppen af ​​isbjerget, " sagde professor Wang.

Til deres næste skridt, holdet vil yderligere undersøge, hvornår stablingsfejl vil opstå i andre legeringer, og analysere deres deformationsmekanismer ved forskellige temperaturer. "Forståelse af deformationsmekanismer vil lette designet af nye legeringer. Ved at implementere forskellige mekanismer i synergi, vi kan tune dem for at opnå bedre mekaniske egenskaber til applikationer ved lave temperaturer, " sagde hr. Naeem.