Små, men mægtige bundfald hærder en strukturel legering

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee, Knoxville, har fundet en måde at øge styrken og duktiliteten af ​​en legering ved at indføre små bundfald i dens matrix og justere deres størrelse og afstand. Bundfaldene er faste stoffer, der skilles fra metalblandingen, når legeringen afkøles. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Natur , vil åbne nye veje for at fremme strukturelle materialer.

Duktilitet er et mål for et materiales evne til at gennemgå permanent deformation uden at gå i stykker. Det bestemmer, blandt andet, hvor meget et materiale kan forlænges før brud, og om det brud vil være yndefuldt eller katastrofalt. Jo højere styrke og duktilitet, jo hårdere er materialet.

"En hellig gral af strukturelle materialer har længe været, hvordan forbedrer du samtidig styrke og duktilitet?" sagde Easo George, hovedefterforsker af undersøgelsen og guvernørstol for avanceret legeringsteori og udvikling ved ORNL og UT. "At besejre afvejningen mellem styrke og duktilitet vil muliggøre en ny generation af letvægts-, stærk, skadetolerante materialer."

Hvis strukturelle materialer kunne blive stærkere og mere duktile, komponenter til biler, fly, kraftværker, bygninger og broer kunne bygges med mindre materiale. Lettere køretøjer ville være mere energieffektive at fremstille og betjene, og hårdere infrastruktur ville være mere modstandsdygtig.

Co-principal investigator Ying Yang fra ORNL undfangede og ledede Natur undersøgelse. Styret af beregningsmæssige termodynamiske simuleringer, hun designede og specialfremstillede modellegeringer med den særlige evne til at gennemgå en fasetransformation fra en ansigtscentreret kubisk, eller FCC, til en kropscentreret kubik, eller BCC, krystal struktur, drevet af ændringer i enten temperatur eller stress.

"Vi satte nanopræcipitater i en transformerbar matrix og kontrollerede omhyggeligt deres egenskaber, som igen styrede hvornår og hvordan matrixen transformerede sig, " sagde Yang. "I dette materiale, vi inducerede bevidst matrixen til at have evnen til at gennemgå en fasetransformation."

Legeringen indeholder fire hovedelementer - jern, nikkel, aluminium og titanium - der danner matrixen og udfælder, og tre mindre grundstoffer - kulstof, zirconium og bor - der begrænser størrelsen af ​​korn, individuelle metalliske krystaller.

Forskerne holdt omhyggeligt sammensætningen af ​​matrixen og den samlede mængde af nanopræcipitater ens i forskellige prøver. Imidlertid, de varierede bundfaldsstørrelser og mellemrum ved at justere forarbejdningstemperaturen og -tiden. Til sammenligning, en referencelegering uden bundfald, men med samme sammensætning som matrixen af ​​den bundfaldsholdige legering, blev også fremstillet og testet.

"Styrken af ​​et materiale afhænger normalt af, hvor tæt bundfaldene er på hinanden, " sagde George. "Når du laver dem nogle få nanometer [milliarddele af en meter] i størrelse, de kan være meget tæt placeret. Jo tættere de er placeret, jo stærkere bliver materialet."

Mens nanopræcipitater i konventionelle legeringer kan gøre dem super stærke, de gør også legeringerne meget sprøde. Holdets legering undgår denne skørhed, fordi bundfaldene udfører en anden nyttig funktion:ved rumligt at begrænse matrixen, de forhindrer det i at transformere sig under en termisk bratkøling, en hurtig nedsænkning i vand, der afkøler legeringen til stuetemperatur. Følgelig, matrixen forbliver i en metastabil FCC-tilstand. Når legeringen derefter strækkes ("spændt"), det omdannes gradvist fra metastabil FCC til stabil BCC. Denne fasetransformation under strækning øger styrken, mens den bibeholder tilstrækkelig duktilitet. I modsætning, legeringen uden bundfald omdannes fuldt ud til stabil FCC under den termiske bratkøling, hvilket udelukker yderligere transformation under belastning. Som resultat, den er både svagere og mere skør end legeringen med bundfald. Sammen, de komplementære mekanismer for konventionel nedbørsforstærkning og deformationsinduceret transformation øgede styrken med 20%-90% og forlængelsen med 300%.

"At tilføje bundfald for at blokere dislokationer og gøre materialer ultrastærke er velkendt, " sagde George. "Hvad er nyt her er, at justering af afstanden mellem disse bundfald også påvirker fasetransformationstilbøjeligheden, som tillader flere deformationsmekanismer at blive aktiveret efter behov for at øge duktiliteten."

Undersøgelsen afslørede også en overraskende vending af den normale styrkende effekt af nanopræcipitater:en legering med grov, meget spredte bundfald er stærkere end den samme legering med fine, tætsiddende bundfald. Denne vending sker, når nanopræcipitaterne bliver så små og tætpakket, at fasetransformationen i det væsentlige lukkes ned under belastning af materialet, ikke ulig den transformation, der blev undertrykt under den termiske bratkøling.

Denne undersøgelse var afhængig af komplementære teknikker udført på DOE Office of Science brugerfaciliteter på ORNL for at karakterisere nanopræcipitaterne og deformationsmekanismerne. På Center for Nanofase Materials Sciences, atomsondetomografi viste størrelsen, fordeling og kemisk sammensætning af bundfald, hvorimod transmissionselektronmikroskopi afslørede atomistiske detaljer i lokale regioner. Ved højflux-isotopreaktoren, småvinklet neutronspredning kvantificerede fordelingen af ​​fine bundfald. Og ved Spallation Neutron Source, neutrondiffraktion undersøgte fasetransformationen efter forskellige niveauer af belastning.

"Denne forskning introducerer en ny familie af strukturelle legeringer, " sagde Yang. "Bundfaldskarakteristika og legeringskemi kan skræddersyes præcist til at aktivere deformationsmekanismer præcis, når det er nødvendigt for at modvirke afvejningen mellem styrke og duktilitet."

Dernæst vil holdet undersøge yderligere faktorer og deformationsmekanismer for at identificere kombinationer, der yderligere kan forbedre de mekaniske egenskaber.

Det viser sig, der er meget plads til forbedring. "Dagens strukturelle materialer realiserer kun en lille brøkdel - måske kun 10% - af deres teoretiske styrker, " sagde George. "Forestil dig de vægtbesparelser, der ville være mulige i en bil eller et fly - og de deraf følgende energibesparelser - hvis denne styrke kunne fordobles eller tredobles samtidig med, at der opretholdes tilstrækkelig duktilitet."

Titlen på Natur papir er "Bifunktionelle nanopræcipitater styrker og duktilerer en legering med middel entropi."