Curva sforzo-deformazione e configurazione/evoluzione della dislocazione negli MPEA. (A) è un diagramma di simulazioni DDD per MPEA. Credito:Li, Jia et al.
Un gruppo di ricerca guidato da scienziati dei materiali della City University di Hong Kong (CityU) ha recentemente scoperto un nuovo meccanismo per aumentare la resistenza e la duttilità di una lega ad alta entropia, due proprietà che normalmente variano inversamente l'una con l'altra. I risultati forniscono importanti spunti per la progettazione futura di leghe ad alta entropia resistenti ma duttili e ceramiche ad alta entropia.
Il compromesso resistenza-duttilità è un problema di vecchia data per le leghe convenzionali che di solito si basano su uno o due elementi principali, il che significa che aumentare la resistenza di solito sacrifica la duttilità. Nell'ultimo decennio è stata proposta una nuova strategia di progettazione delle leghe:mescolare più elementi per formare leghe, denominate "leghe a elementi multipli" (MPEA) o "leghe ad alta entropia" (HEA). Gli MPEA mostrano eccellenti proprietà meccaniche, come sia una grande duttilità che un'eccellente resistenza.
Si ritiene che queste eccellenti proprietà meccaniche provengano da una grave distorsione del reticolo atomico causata dalla miscelazione casuale di più elementi principali con dimensioni atomiche distinte, variazioni di legame e differenze della struttura cristallina, che a loro volta portano a un "effetto di deformazione reticolare eterogenea". Tuttavia, il campo di deformazione del reticolo eterogeneo (un campo di deformazione si riferisce alla distribuzione della deformazione attraverso una parte di un corpo) è difficile da quantificare e caratterizzare, quindi il suo impatto sul rafforzamento delle leghe tramite la dislocazione dinamica tridimensionale (3-D) è stato ignorato fino a poco tempo fa.
Ma gli ultimi esperimenti e una serie di simulazioni fatte dal gruppo di ricerca guidato dal professor Yang Yong, nel dipartimento di ingegneria meccanica di CityU, e dal professor Fang Qihong, presso l'Università di Hunan, mostrano che il campo di deformazione eterogeneo potrebbe contribuire al miglioramento meccanico proprietà degli MPEA attraverso i nuovi meccanismi di rinforzo indotti dalla deformazione eterogenea, che portano alla sinergia resistenza-duttilità nelle leghe. I loro risultati sono stati pubblicati negli Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) sotto il titolo "Rinforzo di deformazione reticolare eterogenea in solidi cristallini gravemente distorti."
"I libri di testo di scienza dei materiali e ingegneria elencano tradizionalmente quattro meccanismi di rafforzamento della duttilità:rafforzamento della dislocazione, rafforzamento del soluto, rafforzamento del bordo del grano e rafforzamento delle precipitazioni", ha spiegato il professor Yang. "Questa conoscenza del libro di testo è stata insegnata per centinaia di anni nelle università a studenti specializzati in scienze dei materiali, ingegneria meccanica e fisica applicata".
Caratterizzazione del moto di dislocazione nella lega mediante simulazioni di dinamica di dislocazione discreta (DDD). Credito:Li, Jia et al.
"Ora abbiamo scoperto un nuovo meccanismo di rafforzamento della duttilità attraverso esperimenti e simulazioni numeriche, che chiamiamo 'rafforzamento della deformazione reticolare eterogenea'".
A differenza dei tradizionali meccanismi di rinforzo, che di solito portano a un compromesso tra resistenza e duttilità, questo meccanismo di rafforzamento recentemente scoperto promuove la sinergia resistenza-duttilità, il che significa che i ricercatori possono aumentare la resistenza e la duttilità di una lega ad alta entropia allo stesso tempo. "Le nuove scoperte aiutano a spiegare molte scoperte recenti i cui meccanismi sono in discussione e guidano lo sviluppo di nuovi metalli e ceramiche forti ma duttili", ha aggiunto il professor Yang.
Negli esperimenti, il team di ricerca ha prima caratterizzato i ceppi reticolari nella lega ad alta entropia FeCoCrNiMn utilizzando tecniche come l'analisi di fase geometrica (GPA) basata sulla microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (TEM). Ha quindi eseguito prove di compressione del micropilastro per studiare come le dislocazioni scivolano e scivolano trasversalmente nella lega. Successivamente, il team ha eseguito ampie simulazioni di dinamica di dislocazione discreta (DDD) incorporando le deformazioni reticolari misurate sperimentalmente.
Gli esperimenti hanno mostrato che la deformazione del reticolo non solo limitava il movimento di dislocazione, migliorando così la resistenza allo snervamento, ma promuoveva anche gli slittamenti trasversali di dislocazione per migliorare la duttilità. I risultati hanno dimostrato l'effetto significativo del campo di deformazione eterogeneo sulle proprietà meccaniche della lega. Forniscono una nuova prospettiva per sondare l'origine dell'elevata resistenza delle leghe ad alta entropia e aprono nuove strade per lo sviluppo di materiali cristallini avanzati.
Gli sforzi combinati degli esperimenti e delle simulazioni al computer hanno rivelato i meccanismi fisici alla base della sinergia forza-duttilità osservata negli esperimenti. "I risultati di questo studio forniscono un meccanismo fondamentale per superare il compromesso tra resistenza e duttilità delle leghe tradizionali", ha affermato il professor Yang. + Esplora ulteriormente
