Forskere opdager en ny mekanisme til at øge styrken og duktiliteten af ​​højentropi-legeringer

Et forskerhold ledet af materialeforskere fra City University of Hong Kong (CityU) har for nylig opdaget en ny mekanisme til at øge styrken og duktiliteten af ​​en højentropi-legering, to egenskaber, som normalt varierer omvendt med hinanden. Resultaterne giver vigtig indsigt for det fremtidige design af stærke, men duktile højentropi legeringer og højentropi keramik.

Afvejningen mellem styrke og duktilitet er et langvarigt problem for konventionelle legeringer, der normalt er baseret på et eller to hovedelementer, hvilket betyder, at en forøgelse af styrken normalt ofrer duktiliteten. I det sidste årti blev en ny legeringsdesignstrategi foreslået:blanding af flere elementer for at danne legeringer, kaldet "multi-principal element legeringer" (MPEA'er) eller "højentropi legeringer" (HEA). MPEA'er udviser fremragende mekaniske egenskaber, såsom både stor duktilitet og fremragende styrke.

Disse fremragende mekaniske egenskaber menes at stamme fra alvorlig atomgitterforvrængning forårsaget af tilfældig blanding af flere hovedelementer med forskellige atomstørrelser, bindingsvariationer og krystalstrukturforskelle, som igen fører til en "heterogen gitterbelastningseffekt." Imidlertid er det heterogene gitter-strain-felt (et strain-felt refererer til fordelingen af ​​belastning gennem en del af et legeme) vanskeligt at kvantificere og karakterisere, så dets indvirkning på styrkelse af legeringer via tredimensionel (3-D) dynamisk dislokation er blevet ignoreret indtil for nylig.

Men de seneste eksperimenter og en række simuleringer udført af forskerholdet ledet af professor Yang Yong, i CityU's Department of Mechanical Engineering, og professor Fang Qihong, ved Hunan University, viser, at det heterogene belastningsfelt kan bidrage til den forbedrede mekaniske egenskaber af MPEA'er gennem de nye heterogene belastningsinducerede forstærkningsmekanismer, hvilket fører til styrke-duktilitetssynergi i legeringerne. Deres resultater blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) under titlen "Heterogen gitterstammeforstærkning i stærkt forvrængede krystallinske faste stoffer."

"Materialvidenskab og ingeniørlærebøger opregner traditionelt fire duktilitetsforstærkende mekanismer:forskydningsforstærkning, opløst stofforstærkning, korngrænseforstærkning og nedbørforstærkning," forklarede professor Yang. "Denne lærebogsviden er blevet undervist i hundreder af år på universiteter til studerende med hovedfag i materialevidenskab, maskinteknik og anvendt fysik."

"Nu har vi opdaget en ny duktilitetsstyrkende mekanisme gennem eksperimenter og numeriske simuleringer, som vi kalder 'heterogen gitter-forstærkning'."

I modsætning til traditionelle forstærkningsmekanismer, som normalt fører til en afvejning mellem styrke og duktilitet, fremmer denne nyopdagede forstærkningsmekanisme styrke-duktilitetssynergi, hvilket betyder, at forskere kan øge styrken og duktiliteten af ​​en legering med høj entropi på samme tid. "De nye resultater hjælper med at forklare mange nyere fund, hvis mekanismer er under debat, og guider udviklingen af ​​nye stærke, men duktile metaller og keramik," tilføjede professor Yang.

I eksperimenterne karakteriserede forskerholdet først gitterstammerne i højentropi-legeringen FeCoCrNiMn ved hjælp af teknikker som geometrisk faseanalyse (GPA) baseret på højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (TEM). Det udførte derefter mikropillar kompressionstests for at studere, hvordan dislokationer glider og krydsglidninger i legeringen. Dernæst udførte holdet omfattende simuleringer af diskret dislokationsdynamik (DDD) ved at inkorporere gitterstammerne målt eksperimentelt.

Forsøgene viste, at gitterstammen ikke kun begrænsede dislokationsbevægelsen og dermed forbedrede flydestyrken, men også fremmede dislokationskrydsskridning for at øge duktiliteten. Resultaterne demonstrerede den betydelige effekt af det heterogene belastningsfelt på legeringens mekaniske egenskaber. De giver et nyt perspektiv til at undersøge oprindelsen af ​​den høje styrke af højentropi-legeringer og åbner nye veje for udvikling af avancerede krystallinske materialer.

Den kombinerede indsats fra eksperimenterne og computersimuleringerne afslørede de fysiske mekanismer, der understøtter styrke-duktilitetssynergien observeret i eksperimenterne. "Resultaterne af denne undersøgelse giver en grundlæggende mekanisme til at overvinde den afvejning mellem styrke og duktilitet, som traditionelle legeringer står over for," sagde professor Yang. + Udforsk yderligere

Små udfældninger gør en stor forskel med hensyn til at afbøde styrke-duktilitet-afvejning