Vía de deformación de la muestra de CrMnFeCoNi HEA a 15 K. Se dibujan líneas punteadas verticales para señalar los cambios en el comportamiento de deformación:(1) Inicio del deslizamiento de dislocación; (2) inicio de fallas de apilamiento; (3) primer signo de estrías; y (4) las estrías masivas coincidieron con la saturación del deslizamiento de dislocación. Crédito:© City University of Hong Kong / Science Advances
Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la City University of Hong Kong (CityU) ha descubierto recientemente que las aleaciones de alta entropía (HEA) exhiben propiedades mecánicas excepcionales a temperaturas ultrabajas debido a la coexistencia de múltiples mecanismos de deformación. Su descubrimiento puede ser la clave para diseñar nuevos materiales estructurales para aplicaciones a bajas temperaturas.
Profesor Wang Xunli, un miembro recién elegido de la Neutron Scattering Society of America, Catedrático y Jefe del Departamento de Física de CityU, colaboró con científicos de Japón y China continental en la realización de este desafiante estudio sobre los comportamientos de deformación de los HEA a temperaturas ultrabajas. Los hallazgos de su investigación se publicaron en el último número de la revista científica. Avances de la ciencia , titulado "Deformación cooperativa en aleaciones de alta entropía a temperaturas ultrabajas".
Dispersión de neutrones:una poderosa herramienta de medición
Los HEA son una nueva clase de materiales estructurales con propiedades mecánicas favorables, como una excelente combinación de resistencia-ductilidad, alta tenacidad a la fractura, y resistencia a la corrosión. Consta de múltiples elementos principales, contribuyendo a comportamientos de deformación complejos.
Los materiales normalmente se vuelven frágiles a bajas temperaturas porque los átomos se "congelan" y pierden su movilidad. Pero los HEA demuestran una alta ductilidad y se pueden estirar hasta una gran deformación a bajas temperaturas. "Este fenómeno se descubrió por primera vez en 2014, pero el mecanismo detrás de esto aún se desconoce. Es intrigante "dijo el profesor Wang, quien ha estado estudiando el mecanismo desde entonces y es el autor correspondiente del artículo.
Para resolver este acertijo, el equipo de investigación dirigido por el profesor Wang utilizó la técnica de difracción de neutrones in situ para estudiar el proceso de deformación de los HEA. "La medición por difracción de neutrones es uno de los pocos medios para observar lo que sucede durante la deformación de los materiales. Podemos ver cada paso:qué mecanismo se activa primero, y cómo cada uno de ellos interactúa con los demás, que no es factible con métodos experimentales convencionales como la microscopía electrónica de transmisión, "Explicó el profesor Wang.
"Más importante, puede realizar mediciones a temperaturas ultrabajas, es decir., cerca del cero absoluto. Y las medidas son representativas de la mayor parte de la muestra en lugar de la superficie o el área localizada, proporcionar información microscópica como cómo los diferentes granos de los materiales interactúan entre sí, "añadió.
Muhammad Naeem prepara el experimento en TAKUMI, un difractómetro de materiales de ingeniería en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) que se utiliza para realizar mediciones de difracción de neutrones in situ en múltiples muestras de HEA, que todos mostraron un proceso de deformación de múltiples etapas. Crédito:© Profesor Wang Xunli / City University of Hong Kongc
Secuencia de mecanismos de deformación revelada
Usando esta técnica, La secuencia de los mecanismos de deformación en HEA a temperaturas ultrabajas se revela por primera vez. El equipo descubrió que a 15 Kelvin (K), el HEA se deforma en cuatro etapas.
Comienza con el deslizamiento de dislocación, un mecanismo de deformación común para materiales cúbicos centrados en las caras, donde los planos de la celosía de cristal se deslizan unos sobre otros. Mientras continúan las dislocaciones, Las fallas de apilamiento gradualmente se vuelven activas y dominantes donde la secuencia de apilamiento de los planos de la red cristalina cambia por la deformación. Luego le sigue el hermanamiento, donde ocurre la desorientación de los planos de celosía, resultando en una imagen especular del cristal padre. Finalmente, transita a estrías donde el HEA muestra grandes oscilaciones de tensión deformante.
"Es interesante ver cómo estos mecanismos se activan y cooperan entre sí cuando el material se deforma, "dijo Muhammad Naeem, un doctorado graduado estudiante y asistente de investigación senior del Departamento de Física de CityU, quien es el primer autor del artículo.
En sus experimentos, encontraron que los HEA mostraron un endurecimiento por deformación más alto y más estable (en el que los materiales se vuelven más fuertes y más duros después de la deformación), y una ductilidad excesivamente alta a medida que disminuía la temperatura. Basado en el análisis cuantitativo de sus datos experimentales in situ, llegaron a la conclusión de que los tres observaron mecanismos de deformación adicionales:fallas de apilamiento, hermanamiento y estrías, así como la interacción entre estos mecanismos, son la fuente de esas extraordinarias propiedades mecánicas.
Un nuevo terreno:deformaciones a temperaturas ultrabajas
Todo el estudio le llevó al equipo casi tres años, y seguirá estudiando el fenómeno. "Los complicados mecanismos de deformación en los HEA a temperaturas ultrabajas son un terreno nuevo que muy pocas personas han explorado antes. Los hallazgos de este estudio solo muestran la punta del iceberg, "dijo el profesor Wang.
Para su próximo paso, el equipo investigará más a fondo cuándo aparecerán fallas de apilamiento en otras aleaciones, y analizar sus mecanismos de deformación a diferentes temperaturas. "Comprender los mecanismos de deformación facilitará el diseño de nuevas aleaciones. Al implementar diferentes mecanismos en sinergia, podemos ajustarlos para lograr mejores propiedades mecánicas para aplicaciones a bajas temperaturas, "dijo el Sr. Naeem.
