Diagrama esquemático que ilustra el mecanismo de deformación plástica en la estructura cúbica de la aleación de alta entropía rica en oxígeno (HEA). a) En las aleaciones de oxígeno con alta entropía, los complejos de oxígeno ordenados (OOC) actuaron sobre las dislocaciones en los estudios de deformación mecánica. b) Durante las etapas iniciales de la deformación plástica, el deslizamiento plano aún prevalecía. c) Una vez que las dislocaciones encontraron OOC enriquecidas con intersticiales severamente distorsionadas, Se promueve el deslizamiento cruzado debido a sus fuertes efectos de fijación. d) Esto da como resultado multiplicaciones masivas de dislocaciones. e) Los OOC fijan cada vez más dislocaciones, y las paredes dipolares surgieron a medida que aumentaba la tensión para promover el endurecimiento por trabajo del material, eventualmente conduciendo a una mayor ductilidad. Crédito:Naturaleza, doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0685-y
El oxígeno es un elemento abundante que puede formar impurezas o fases cerámicas no deseadas en materiales metálicos, mientras que el dopado del elemento sobre metal puede hacer que los sustratos se vuelvan quebradizos. Durante las interacciones con aleaciones metálicas, el oxígeno toma un estado entre las partículas de óxido y los intersticiales aleatorios que ocurren con frecuencia para formar complejos de oxígeno ordenados. En un nuevo estudio, Los científicos de materiales Zhinfeng Lei y sus colaboradores observaron que, a diferencia del fortalecimiento intersticial tradicional, tales complejos intersticiales ordenados podrían formar aleaciones de alta entropía (HEA) con una mejora sin precedentes en la resistencia y ductilidad en soluciones sólidas de composición compleja. Cuando los científicos doparon un modelo TiZrHfNb HEA con 2.0 por ciento atómico (2 en%) de oxígeno, observaron una resistencia a la tracción y una ductilidad sustancialmente mejoradas, romper un conflicto de larga data sobre el equilibrio entre fuerza y ductilidad.
Ingeniería fuerte, Los materiales resistentes (tolerantes al daño) tradicionalmente requieren un compromiso entre dureza y ductilidad. En el nuevo estudio, Los complejos de oxígeno se ordenaron estructuralmente en regiones a nanoescala dentro de la HEA caracterizadas por oxígeno, circonio y titanio (O, Zr, Complejos atómicos ricos en Ti). La formación de estos complejos fue promovida por el ordenamiento químico de corto alcance entre los elementos de la matriz dentro de los HEA. En HEA cúbicos centrados en la cara, Se informó que el carbono mejora la resistencia y la ductilidad al reducir la energía de falla de apilamiento y aumentar la tensión de fricción de la celosía.
Por el contrario, complejos intersticiales ordenados descritos por Lei et al. medió un mecanismo de recolección de cepas con potencial para uso específico en Ti, Zr, y aleaciones que contienen Hf (hafnio). Los elementos intersticiales suelen ser muy indeseables en tales aleaciones metálicas debido a sus efectos de fragilización y dado que el ajuste de la energía de falla de apilamiento y la explotación de la transferencia térmica no habían conducido previamente a una mejora de las propiedades en otras aleaciones. Por lo tanto, los resultados del nuevo estudio proporcionaron información sobre el papel de las soluciones sólidas intersticiales y los mecanismos asociados para fortalecer los materiales metálicos. El trabajo ahora está publicado en Naturaleza .
Propiedades mecánicas. a) Curvas de tensión-deformación a temperatura ambiente para el TiZrHfNb recién fundido (indicado como aleación base), (TiZrHfNb) 98O2 (indicado como O-2) y (TiZrHfNb) 98N2 (indicado como N-2) HEA. σy es el límite elástico (cuadrados), σUTS es la resistencia máxima (diamantes) y ε es el alargamiento (círculos). El recuadro muestra la correspondiente respuesta de endurecimiento por deformación (dσ / dε). Se observa una tasa de endurecimiento por trabajo más alta para la variante O-2 HEA (TiZrHfNb) 98O2 en comparación con la base HEA TiZrHfNb y la N-2 HEA (TiZrHfNb) 98N2. b) Cambios en la resistencia y ductilidad observados para los HEA introducidos aquí, en relación con varios tipos de aleaciones de alto rendimiento establecidas. Los sistemas de referencia son Ti6Al4V, aleaciones de β-Ti, niobio, vanadio, acero libre intersticial y aceros inoxidables austeníticos 316. El contenido de nitrógeno o oxígeno intersticial de las aleaciones se indica para la comparación. Crédito:Naturaleza, doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0685-y
En el estudio, los investigadores investigaron la aleación base TiZrHfNb y su variante óptimamente dopada con oxígeno (TiZrHfNb) 98 O 2 (denotado como O-2 HEA aquí en adelante) para comparación, junto con una variante intersticial con 2,0 por ciento atómico de nitrógeno (TiZrHfNb) 98 norte 2 , hasta ahora denominado N-2 HEA. Las propiedades mecánicas de los tres tipos de HEA se observaron utilizando curvas de tensión-deformación por tracción. Se observó un fuerte efecto de fortalecimiento para los HEA dopados con oxígeno y con nitrógeno. Como se esperaba del fortalecimiento intersticial convencional, se redujo la ductilidad del N-2 HEA. La adición de 0,2% en% (porcentaje atómico) de oxígeno a la base HEA (TiZrHfNb) mejoró su resistencia y ductilidad. Se observó un efecto de endurecimiento sustancial para O-2 HEA en comparación con base-HEA y N-2 HEA, para impartir un aumento inesperado de ductilidad al material dopado con oxígeno. La adición de más de 3,0% de oxígeno, sin embargo, condujo al deterioro de las propiedades mecánicas observadas.
Estructura microscópica. a, b) DRX de alta energía de sincrotrón y los correspondientes patrones de difracción por retrodispersión de electrones del TiZrHfNb equiatómico recién fundido y los HEA en solución sólida dopados intersticialmente. Todos los HEA recién moldeados tienen un solo b.c.c. estructura de celosía. c – e) Imágenes STEM-HAADF para el [011] b.c.c. eje de cristal con contraste ajustado de manera diferente para revelar la existencia de un orden químico de corto alcance en el O-2 HEA (TiZrHfNb) 98O2, y la imagen STEM-ABF correspondiente que revela los complejos de oxígeno ordenados (OOC). Los cuadrados rojos representan las regiones ricas en Zr / Ti y los cuadrados amarillos indican las regiones ricas en Hf / Nb. El recuadro en e es una vista ampliada de los OOC, con las flechas blancas que indican las posiciones de las columnas de átomos de oxígeno. f) Reconstrucción tridimensional de tomografía con sonda atómica a partir del análisis de una muestra del O-2 HEA. El umbral para la superficie de isocomposición es 3.0 en% O, destacando la presencia de OOC. g) Perfil de composición de O en función de la distancia a la interfaz para una selección de partículas (eje izquierdo) y evolución de la composición de los constituyentes principales en relación con su respectiva composición matricial (eje derecho). El recuadro muestra un primer plano de uno de esos OOC, junto con la imagen del plano atómico {011} dentro de la reconstrucción. Ni es el número del i-ésimo átomo, mientras que Ci y Ci, matriz son las concentraciones del átomo i en los OOC y en la matriz, respectivamente. Crédito:Naturaleza, doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0685-y
Para comprender el mecanismo subyacente de esta anomalía, efecto de fortalecimiento intersticial de solución sólida observado con materiales dopados con oxígeno, Se investigaron nanoestructuras de materiales a escala atómica. Para esto, Los científicos utilizaron por primera vez patrones de difracción de rayos X de alta energía (XRD) de sincrotrón de la base HEA en comparación con las dos variantes de aleación de O-2 y N-2 HEA. Los resultados mostraron que la adición de nitrógeno u oxígeno a la base HEA no cambió su estructura cúbica centrada en el cuerpo (b.c.c) de fase única. Esta observación se confirmó mediante el mapeo de difracción por retrodispersión de electrones. En el microscopio electrónico de transmisión de barrido, imágenes de micrografía de campo oscuro anular de ángulo alto (STEM-HAADF) del O-2 HEA; los átomos de luz estaban representados en contraste oscuro, mientras que los átomos pesados se fotografiaron brillantes.
Las observaciones revelaron regiones de átomos de luz (Ti, Ricos en Zr) y regiones ricas en átomos pesados (Nb, Rico en Hf) en el O-2 HEA. También aparecieron zonas similares en las imágenes STEM de la base y los HEA N-2 para confirmar el orden químico de corto alcance entre los elementos de la matriz metálica como una característica inherente de los HEA. Durante la deformación en cualquiera de las tres aleaciones, no se produjo ninguna transformación de fase. La microscopía electrónica de transmisión ex situ (TEM) y las pruebas mecánicas in situ confirmaron que la deformación de las tres aleaciones se produjo de manera similar a través del proceso de deslizamiento de la dislocación.
Movimientos de dislocación durante la deformación del O-2 HEA. Crédito:Naturaleza, doi:10.1038 / s41586-018-0685-y
El análisis estadístico de STEM-HAADF y las imágenes de campo brillante anular (ABF) correspondientes realizadas a partir de entonces demostró que el oxígeno prefería las posiciones intersticiales adyacentes a los sitios de red ricos en átomos de luz. Tal preferencia no se observó en el N-2 HEA. De acuerdo con el modelo de fortalecimiento de soluciones sólidas propuesto por Fleischer, los cálculos para los HEA de O-2 y N-2 confirmaron que sus mecanismos de endurecimiento eran de naturaleza intersticial. Todavía, a diferencia del fortalecimiento intersticial tradicional que debilitaba las aleaciones, la presencia de oxígeno aumentó simultáneamente tanto la fuerza como la ductilidad en el b.c.c TiZrHfNb HEA.
La pregunta clave planteada por el análisis de la subestructura es por qué la adición de oxígeno intersticial mejoró en gran medida la capacidad de endurecimiento por trabajo y la ductilidad de la aleación. en comparación con los complejos que contienen nitrógeno. Durante la deformación plástica, Las dislocaciones suelen almacenarse y disponerse en patrones ordenados en aleaciones metálicas. Para estudiar estos patrones de dislocación con más detalle, Los investigadores llevaron a cabo una caracterización STEM de alta resolución con corrección de aberraciones de especímenes pretensados. A nanoescala, Los complejos que contienen oxígeno distorsionaron severamente la red local, causando un gran campo de tensión a su alrededor. Durante la deformación, los complejos de oxígeno ordenados (OOC) interactuaron con las dislocaciones como lo revelan las imágenes STEM. Para iluminar aún más los mecanismos intrínsecos a escala atómica, los científicos llevaron a cabo STEM con corrección de aberraciones. En este punto, observaron que las características intrínsecas de los OOC en la variante de aleación O-2 HEA permitían un alto endurecimiento por trabajo debido a las paredes dipolares que emergían con una tensión creciente que eventualmente conducía a una mayor ductilidad en los materiales dopados con oxígeno. Dicha dinámica de dislocación compleja no se observó para el N-2 HEA, conduciendo a una ductilidad comparativamente modesta como resultado.
Modo de deformación. a) Imagen STEM de la base TiZrHfNb HEA al 8% de deformación por tracción (las flechas amarillas indican las matrices de dislocación coplanares). b) Imagen STEM de O-2 HEA al 8% de tensión de tracción (las flechas rojas indican las paredes dipolares). c) Imagen STEM de N-2 HEA al 8% de deformación por tracción (las flechas amarillas indican las bandas de deslizamiento planas). Se observa un deslizamiento plano típico en la base HEA y en la variante de aleación N-2 HEA dopada con nitrógeno. Sin embargo, el deslizamiento ondulado domina la deformación de la variante O-2 HEA dopada con oxígeno, sugiriendo que la adición de oxígeno conduce a un modo de deformación plástica dominado por deslizamiento ondulado. La dirección del haz en ayc es [011] mientras que en b es [001]. d) Separación de la dislocación de la base de TiZrHfNb HEA y de las variantes O-2 y N-2 dopadas intersticialmente HEA sondadas durante experimentos de tracción TEM in situ. Las flechas blancas representan el espaciado de las dislocaciones. El espaciado promedio de dislocaciones en el O-2 HEA es mucho menor que en el HEA base y en el N-2 HEA. Las barras de error son desviaciones estándar de la media. Crédito:Naturaleza, doi:10.1038 / s41586-018-0685-y
Los hallazgos de Lei et al. mostró que el conflicto resistencia-ductilidad podría superarse para una clase de aleaciones metálicas (HEA), mientras se demuestra un tipo completamente nuevo de mecanismo de endurecimiento por deformación basado en complejos intersticiales ordenados. La alta reserva de endurecimiento por deformación resultante condujo a una mayor resistencia y ductilidad. Por sí mismo, la base HEA (TiZrHfNb) no es adecuada para su uso en aplicaciones de alta temperatura debido a problemas de oxidación. Aleación con elementos antioxidantes como Al, Si y Cr podrían mejorar la resistencia a la oxidación con HEA, como también se vio anteriormente en los diseños de HEA. Los autores recomiendan la aplicación de tales mecanismos de fortalecimiento intersticial ordenados a una gama más amplia de otras clases de materiales de aleación para mejorar la resistencia, la ductilidad y el endurecimiento por deformación durante el desarrollo de materiales avanzados.
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