Percorso di deformazione del campione di CrMnFeCoNi HEA a 15 K. Vengono disegnate linee tratteggiate verticali per individuare i cambiamenti nel comportamento di deformazione:(1) Inizio dello scorrimento della dislocazione; (2) errori di accatastamento all'inizio; (3) primo segno di dentellatura; e (4) le dentellature massicce hanno coinciso con la saturazione dello slittamento di dislocazione. Credito:© City University of Hong Kong / Science Advances
Un team di ricerca internazionale guidato da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) ha recentemente scoperto che le leghe ad alta entropia (HEA) mostrano proprietà meccaniche eccezionali a temperature ultra basse a causa della coesistenza di più meccanismi di deformazione. La loro scoperta potrebbe essere la chiave per la progettazione di nuovi materiali strutturali per applicazioni a basse temperature.
Professor Wang Xunli, un membro appena eletto della Neutron Scattering Society of America, Professore e Direttore del Dipartimento di Fisica presso CityU, ha collaborato con scienziati del Giappone e della Cina continentale nella conduzione di questo impegnativo studio sui comportamenti di deformazione degli HEA a temperature ultra-basse. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati nell'ultimo numero della rivista scientifica Progressi scientifici , intitolato "Deformazione cooperativa in leghe ad alta entropia a temperature ultrabasse".
Scattering di neutroni:un potente strumento di misurazione
Gli HEA sono una nuova classe di materiali strutturali con proprietà meccaniche favorevoli, come un'eccellente combinazione resistenza-duttilità, elevata tenacità alla frattura, e resistenza alla corrosione. Si compone di più elementi principali, contribuendo a comportamenti deformativi complessi.
I materiali normalmente diventano fragili a basse temperature perché gli atomi sono "congelati" e perdono la loro mobilità. Ma gli HEA dimostrano un'elevata duttilità e possono essere allungati fino a una grande deformazione a basse temperature. "Questo fenomeno è stato scoperto per la prima volta nel 2014, ma il meccanismo alla base è ancora sconosciuto. è intrigante, " ha detto il professor Wang, che ha studiato il meccanismo da allora ed è l'autore corrispondente dell'articolo.
Per risolvere questo enigma, il team di ricerca guidato dal professor Wang ha utilizzato la tecnica di diffrazione dei neutroni in situ per studiare il processo di deformazione degli HEA. "La misurazione della diffrazione di neutroni è uno dei pochi mezzi per osservare cosa sta succedendo durante la deformazione dei materiali. Possiamo vedere ogni fase:quale meccanismo si attiva per primo, e come ciascuno di essi interagisce con gli altri, che non è fattibile con metodi sperimentali convenzionali come la microscopia elettronica a trasmissione, " ha spiegato il professor Wang.
"Ma ancora più importante, può effettuare misurazioni a temperature ultra-basse, cioè., vicino allo zero assoluto. E le misurazioni sono rappresentative della maggior parte del campione piuttosto che dalla superficie o dall'area localizzata, fornendo informazioni microscopiche come il modo in cui i diversi grani dei materiali hanno interagito tra loro, " Ha aggiunto.
Muhammad Naeem prepara l'esperimento al TAKUMI, un diffrattometro per materiali ingegneristici presso il Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) utilizzato per eseguire misurazioni di diffrazione di neutroni in situ su più campioni HEA, che tutti hanno mostrato un processo di deformazione a più stadi. Credito:© Professor Wang Xunli / City University of Hong Kongc
Rivelata la sequenza dei meccanismi di deformazione
Utilizzando questa tecnica, la sequenza dei meccanismi di deformazione negli HEA a temperature ultrabasse viene rivelata per la prima volta. Il team ha scoperto che a 15 Kelvin (K), l'HEA si deforma in quattro fasi.
Inizia con lo slittamento di lussazione, un meccanismo di deformazione comune per i materiali cubici a facce centrate, dove i piani del reticolo cristallino scorrono l'uno sull'altro. Mentre le dislocazioni continuano, le faglie di impilamento diventano gradualmente attive e dominanti dove la sequenza di impilamento dei piani del reticolo cristallino viene modificata dalla deformazione. Segue poi il gemellaggio, dove si verifica il disorientamento dei piani reticolari, risultante in un'immagine speculare del cristallo genitore. Finalmente, transita a dentellature dove l'HEA mostra grandi oscillazioni di deformazione.
"È interessante vedere come questi meccanismi si attivano e cooperano tra loro quando il materiale si deforma, " disse Muhammad Naeem, un dottorato di ricerca studente e assistente di ricerca senior del Dipartimento di Fisica di CityU, chi è il primo autore del saggio.
Nei loro esperimenti, hanno scoperto che gli HEA hanno mostrato un incrudimento più alto e più stabile (in cui i materiali diventano più forti e più duri dopo la deformazione), e duttilità estremamente elevata al diminuire della temperatura. Sulla base dell'analisi quantitativa dei loro dati sperimentali in situ, hanno concluso che i tre meccanismi di deformazione aggiuntivi osservati:faglie di impilamento, gemellaggio, e dentellature, nonché l'interazione tra questi meccanismi, sono la fonte di quelle straordinarie proprietà meccaniche.
Un nuovo terreno:deformazioni a temperature bassissime
L'intero studio ha richiesto al team quasi tre anni, e continuerà a studiare il fenomeno. "I meccanismi di deformazione complicati negli HEA a temperature ultra-basse sono un terreno nuovo che pochissime persone hanno esplorato prima. I risultati di questo studio mostrano solo la punta dell'iceberg, ", ha detto il professor Wang.
Per il loro prossimo passo, il team indagherà ulteriormente quando compariranno difetti di impilamento in altre leghe, e analizzare i loro meccanismi di deformazione a diverse temperature. "Comprendere i meccanismi di deformazione faciliterà la progettazione di nuove leghe. Dispiegando diversi meccanismi in sinergia, possiamo metterli a punto per ottenere migliori proprietà meccaniche per applicazioni a basse temperature, " disse il signor Naeem.
