Curva esfuerzo-deformación y configuración/evolución de dislocaciones en MPEAs. (A) es un diagrama de simulaciones DDD para MPEA. Crédito:Li, Jia y otros.
Un equipo de investigación codirigido por científicos de materiales de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió recientemente un nuevo mecanismo para aumentar la resistencia y la ductilidad de una aleación de alta entropía, dos propiedades que normalmente varían inversamente entre sí. Los hallazgos brindan información importante para el diseño futuro de aleaciones de alta entropía fuertes pero dúctiles y cerámicas de alta entropía.
La compensación entre resistencia y ductilidad es un problema de larga data para las aleaciones convencionales que generalmente se basan en uno o dos elementos principales, lo que significa que aumentar la resistencia generalmente sacrifica la ductilidad. En la última década, se propuso una nueva estrategia de diseño de aleaciones:mezclar múltiples elementos para formar aleaciones, denominadas "aleaciones de elementos múltiples" (MPEA) o "aleaciones de alta entropía" (HEA). Los MPEA exhiben excelentes propiedades mecánicas, como gran ductilidad y excelente resistencia.
Se cree que estas excelentes propiedades mecánicas se originan a partir de una severa distorsión de la red atómica causada por la mezcla aleatoria de múltiples elementos principales con distintos tamaños atómicos, variaciones de enlace y diferencias en la estructura cristalina, que a su vez conducen a un "efecto de tensión de red heterogénea". Sin embargo, el campo de deformación reticular heterogéneo (un campo de deformación se refiere a la distribución de deformación a través de una parte de un cuerpo) es difícil de cuantificar y caracterizar, por lo que se ha ignorado su impacto en el fortalecimiento de las aleaciones a través de la dislocación dinámica tridimensional (3-D). hasta hace poco.
Pero los últimos experimentos y una serie de simulaciones realizadas por el equipo de investigación codirigido por el profesor Yang Yong, en el Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU, y el profesor Fang Qihong, en la Universidad de Hunan, muestran que el campo de tensión heterogénea podría contribuir a la mecánica mejorada. propiedades de los MPEA a través de los nuevos mecanismos de fortalecimiento heterogéneos inducidos por deformación, lo que lleva a una sinergia de resistencia y ductilidad en las aleaciones. Sus hallazgos fueron publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) bajo el título "Reforzamiento por deformación de redes heterogéneas en sólidos cristalinos gravemente distorsionados".
"Los libros de texto de ciencia e ingeniería de materiales enumeran tradicionalmente cuatro mecanismos de fortalecimiento de la ductilidad:fortalecimiento de la dislocación, fortalecimiento del soluto, fortalecimiento del límite de grano y fortalecimiento de la precipitación", explicó el profesor Yang. "Este conocimiento de los libros de texto se ha enseñado durante cientos de años en universidades a estudiantes que se especializan en ciencia de los materiales, ingeniería mecánica y física aplicada".
Caracterización del movimiento de dislocación en la aleación usando simulaciones de dinámica de dislocación discreta (DDD). Crédito:Li, Jia y otros.
"Ahora hemos descubierto un nuevo mecanismo de fortalecimiento de la ductilidad a través de experimentos y simulaciones numéricas, que llamamos 'reforzamiento por deformación de red heterogénea'".
A diferencia de los mecanismos de fortalecimiento tradicionales, que generalmente conducen a una compensación entre resistencia y ductilidad, este mecanismo de fortalecimiento recientemente descubierto promueve la sinergia entre resistencia y ductilidad, lo que significa que los investigadores pueden aumentar la resistencia y la ductilidad de una aleación de alta entropía al mismo tiempo. "Los nuevos hallazgos ayudan a explicar muchos hallazgos recientes cuyos mecanismos están en debate y guían el desarrollo de nuevos metales y cerámicas fuertes pero dúctiles", agregó el profesor Yang.
En los experimentos, el equipo de investigación primero caracterizó las deformaciones de la red en la aleación de alta entropía FeCoCrNiMn utilizando técnicas como el análisis de fase geométrica (GPA) basado en microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución. Luego realizó pruebas de compresión de micropilares para estudiar cómo las dislocaciones se deslizan y se deslizan transversalmente en la aleación. A continuación, el equipo realizó extensas simulaciones de dinámica de dislocaciones discretas (DDD) mediante la incorporación de las deformaciones reticulares medidas experimentalmente.
Los experimentos mostraron que la deformación de la red no solo restringía el movimiento de dislocación, mejorando así el límite elástico, sino que también promovía los deslizamientos cruzados de dislocación para mejorar la ductilidad. Los hallazgos demostraron el efecto significativo del campo de deformación heterogénea sobre las propiedades mecánicas de la aleación. Brindan una nueva perspectiva para investigar el origen de la alta resistencia de las aleaciones de alta entropía y abren nuevas vías para el desarrollo de materiales cristalinos avanzados.
Los esfuerzos combinados de los experimentos y las simulaciones por computadora revelaron los mecanismos físicos que sustentan la sinergia de resistencia y ductilidad observada en los experimentos. "Los hallazgos de este estudio proporcionan un mecanismo fundamental para superar el equilibrio entre resistencia y ductilidad que enfrentan las aleaciones tradicionales", dijo el profesor Yang. Los precipitados pequeños marcan una gran diferencia en la mitigación del equilibrio entre resistencia y ductilidad
