Kleine maar krachtige precipitaten taaien een structurele legering

Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de University of Tennessee, Knoxville, hebben een manier gevonden om tegelijkertijd de sterkte en taaiheid van een legering te vergroten door kleine precipitaten in de matrix te introduceren en hun grootte en afstand af te stemmen. De precipitaten zijn vaste stoffen die zich afscheiden van het metaalmengsel als de legering afkoelt. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur, zal nieuwe wegen openen voor het bevorderen van structurele materialen.

Ductiliteit is een maatstaf voor het vermogen van een materiaal om blijvende vervorming te ondergaan zonder te breken. Het bepaalt onder andere hoeveel een materiaal kan uitrekken voordat het breekt en of dat breken gracieus of catastrofaal zal zijn. Hoe hoger de sterkte en taaiheid, hoe taaier het materiaal.

“Een heilige graal van structurele materialen is al lang, hoe verbeter je tegelijkertijd sterkte en ductiliteit?” zei Easo George, hoofdonderzoeker van de studie en Governor’s Chair for Advanced Alloy Theory and Development bij ORNL en UT. “Het verslaan van de wisselwerking tussen sterkte en ductiliteit zal een nieuwe generatie lichtgewicht, sterke, schadebestendige materialen mogelijk maken.”

Als constructiematerialen sterker en taaier zouden kunnen worden, zouden onderdelen van auto’s, vliegtuigen, energiecentrales, gebouwen en bruggen met minder materiaal kunnen worden gebouwd. Lichtere voertuigen zouden energie-efficiënter zijn om te maken en te gebruiken, en een zwaardere infrastructuur zou veerkrachtiger zijn.

Co-hoofdonderzoeker Ying Yang van ORNL bedacht en leidde de Natuur studie. Geleid door computationele thermodynamische simulaties, ontwierp ze en op maat gemaakte modellegeringen met het speciale vermogen om een ​​fasetransformatie te ondergaan van een face-centered cubic, of FCC, naar een body-centered cubic, of BCC, kristalstructuur, aangedreven door veranderingen in temperatuur of stress.

“We plaatsen nanoprecipitaten in een transformeerbare matrix en controleerden zorgvuldig hun attributen, die op hun beurt bepaalden wanneer en hoe de matrix transformeerde,” zei Yang. “In dit materiaal hebben we opzettelijk de matrix ertoe aangezet om een ​​fasetransformatie te ondergaan.”

De legering bevat vier hoofdelementen – ijzer, nikkel, aluminium en titanium – die de matrix en precipitaten vormen, en drie minder belangrijke elementen – koolstof, zirkonium en boor – die de grootte van korrels, individuele metaalkristallen, beperken.

De onderzoekers hielden de samenstelling van de matrix en de totale hoeveelheid nanoprecipitaten in verschillende monsters zorgvuldig hetzelfde. Ze varieerden echter precipitaatafmetingen en -afstanden door de verwerkingstemperatuur en -tijd aan te passen. Ter vergelijking werd ook een referentielegering zonder precipitaten maar met dezelfde samenstelling als de matrix van de precipitaatbevattende legering bereid en getest.

“De sterkte van een materiaal hangt meestal af van hoe dicht de precipitaten bij elkaar zijn,” zei George. “Als je ze een paar nanometer maakt [billionths of a meter] qua grootte kunnen ze zeer dicht bij elkaar staan. Hoe dichter bij elkaar, hoe sterker het materiaal wordt.”

Hoewel nanoprecipitaten in conventionele legeringen ze supersterk kunnen maken, maken ze de legeringen ook erg bros. De legering van het team vermijdt deze broosheid omdat de precipitaten een tweede nuttige functie vervullen: door de matrix ruimtelijk in te perken, voorkomen ze dat deze transformeert tijdens een thermische quench, een snelle onderdompeling in water dat de legering afkoelt tot kamertemperatuur. Bijgevolg blijft de matrix in een metastabiele FCC-toestand. Wanneer de legering vervolgens wordt uitgerekt (“gespannen”), transformeert deze geleidelijk van metastabiele FCC naar stabiele BCC. Deze fasetransformatie tijdens het persen verhoogt de sterkte met behoud van voldoende ductiliteit. Daarentegen transformeert de legering zonder precipitaten volledig naar stabiele FCC tijdens de thermische afschrikking, wat verdere transformatie tijdens het persen uitsluit. Daardoor is het zowel zwakker als brosser dan de legering met neerslag. Samen verhoogden de complementaire mechanismen van conventionele precipitatieversterking en door vervorming geïnduceerde transformatie de sterkte met 20% -90% en de verlenging met 300%.

“Het is bekend om precipitaten toe te voegen om dislocaties te blokkeren en materialen ultrasterk te maken,” zei George. “Wat hier nieuw is, is dat het aanpassen van de afstand van deze precipitaten ook de neiging tot fasetransformatie beïnvloedt, waardoor meerdere vervormingsmechanismen kunnen worden geactiveerd als dat nodig is om de ductiliteit te verbeteren.”

De studie onthulde ook een verrassende omkering van het normale versterkende effect van nanoprecipitaten: een legering met grove, ver uit elkaar geplaatste precipitaten is sterker dan dezelfde legering met fijne, dicht bij elkaar gelegen precipitaten. Deze omkering vindt plaats wanneer de nanoprecipitaten zo klein en dicht opeengepakt worden dat de fasetransformatie in wezen wordt uitgeschakeld tijdens het persen van het materiaal, niet anders dan de transformatie die wordt onderdrukt tijdens de thermische quench.

Deze studie was gebaseerd op complementaire technieken die werden uitgevoerd bij de gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science bij ORNL om de nanoprecipitaten en vervormingsmechanismen te karakteriseren. In het Center for Nanophase Materials Sciences toonde atoomsondetomografie de grootte, distributie en chemische samenstelling van precipitaten, terwijl transmissie-elektronenmicroscopie atomistische details van lokale regio’s blootlegde. Bij de High Flux Isotoop Reactor kwantificeerde kleine-hoek neutronenverstrooiing de verdeling van fijne precipitaten. En bij de Spallation Neutron Source onderzocht neutronendiffractie de fasetransformatie na verschillende spanningsniveaus.

“Dit onderzoek introduceert een nieuwe familie van structurele legeringen,” zei Yang. “De eigenschappen van neerslag en legeringschemie kunnen precies worden aangepast om vervormingsmechanismen precies te activeren wanneer dat nodig is om de wisselwerking tussen sterkte en ductiliteit te dwarsbomen.”

Vervolgens zal het team aanvullende factoren en vervormingsmechanismen onderzoeken om combinaties te identificeren die de mechanische eigenschappen verder kunnen verbeteren.

Het blijkt dat er veel ruimte voor verbetering is. “De structurele materialen van vandaag realiseren slechts een klein deel – misschien slechts 10% – van hun theoretisch capabele sterke punten,” zei George. “Stel je de gewichtsbesparing voor die mogelijk zou zijn in een auto of een vliegtuig – en de daaruit voortvloeiende energiebesparing – als deze sterkte zou kunnen worden verdubbeld of verdrievoudigd met behoud van voldoende ductiliteit.”

De titel van de Natuur paper is “Bifunctionele nanoprecipitaten versterken en vervormen een legering met gemiddelde entropie.”