Новости

May 18, 2024

Двойникование под высоким напряжением в стали со сложным составом и очень высокой энергией дефекта упаковки

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3598 (2022) Цитировать эту статью 7188 Доступов 25 Цитирований 3 Подробности о альтметрических метриках Деформационное двойникование редко встречается в объемных гранецентрированных кубах.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3598 (2022) Цитировать эту статью

7188 Доступов

25 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Деформационное двойникование редко встречается в объемных гранецентрированных кубических (ГЦК) сплавах с очень высокой энергией дефекта упаковки (ЭДУ) при стандартных условиях нагружения. Здесь, основываясь на результатах экспериментов по объемному квазистатическому растяжению, мы сообщаем о деформационном двойниковании в сложной по составу стали (CCS) с микрометровым размером зерна с очень высоким ЭДУ ~ 79 мДж / м2, что намного выше режима ЭДУ для двойникования (< ~50 мДж/м2) для сталей FCC. Двойное наноосаждение, обеспечиваемое композиционными степенями свободы, способствует созданию сверхвысокого истинного растягивающего напряжения до 1,9 ГПа в нашей CCS. Эффект упрочнения увеличивает напряжение течения до высокого критического значения для возникновения механического двойникования. Образование нанодвойников, в свою очередь, обеспечивает дополнительные механизмы деформационного упрочнения и ужесточения, которые улучшают механические характеристики. Эффект двойникования при высоких напряжениях открывает до сих пор неиспользованный механизм упрочнения и повышения ударной вязкости, позволяющий создавать сплавы с высоким содержанием SFE и улучшенными механическими свойствами.

Механизмы пластической деформации, которые определяют механические характеристики кристаллических металлических материалов, включают дислокации, двойникование, дефекты упаковки и смещающие фазовые превращения1. В то время как движение первых дефектов, т. е. дислокаций, сохраняет когерентность решетки, последние три механизма создают нарушения симметрии, проявляющиеся в изменении последовательности укладки плотноупакованных атомных плоскостей. Этот кристаллический дефект называется дефектом упаковки, а связанные с ним энергетические потери называются энергией дефекта упаковки (SFE)2. Кинематически двойники, дефекты упаковки и смещающие фазовые превращения переносятся частичными дислокациями3. Они имеют меньшую собственную энергию, чем полные дислокации решетки, но при активации частичные дислокации локально сдвигают решетку в неправильную конфигурацию, тем самым создавая дефект упаковки. По этой причине двойники, дефекты упаковки и фазовые превращения смещения, которые могут придать металлам превосходные характеристики деформационного упрочнения, обычно отсутствуют в объемных материалах с относительно высокими ЭДУ, таких как чистый Al (166 мДж/м2) и Ni (125 мДж/м2). m2)2,4,5, при котором конкурирующее скольжение дислокаций энергетически менее затратно4,6. Таким образом, за исключением некоторых крайних случаев7,8,9,10,11,12, таких как деформация нанокристаллических пленок Al при микроиндентировании7 или объемного Al, подвергающегося воздействию больших скоростей деформации11, деформационное поведение материалов с высоким ЭДУ определяется дислокациями. В результате объемные сплавы с высоким ЭДУ до сих пор не раскрыли превосходные резервы деформационного упрочнения, обеспечиваемые механическими двойниками и дефектами упаковки.

Согласно предыдущим исследованиям, проведенным за последние десятилетия, деформационное двойникование также не обнаружено в нагруженных на растяжение сталях Fe-Mn-Al-C с высоким ЭДУ (верхний предел двойникования ~50 мДж/м2), перспективном классе материалов для очень требовательные инженерные приложения из-за их низкой плотности массы, превосходных механических свойств и низкой стоимости13. При деформации легких сталей Fe–Mn–Al–C первоначально преобладает плоское скольжение дислокаций, которое в дальнейшем по мере деформации развивается в полосы скольжения, состоящие из высоких плотностей дислокаций14. Однако более высокие режимы прочности-пластичности остаются недоступными для этих сплавов, поскольку доступные механизмы деформационного упрочнения по-прежнему ограничиваются дислокациями и их взаимодействием с границами зерен и выделениями15,16,17. Эффект пластичности, индуцированной двойникованием (TWIP), как высокоэффективный механизм деформационного упрочнения и упрочнения, обеспечивающий привлекательные механические свойства18,19, остается недоступным для этих материалов из-за их высоких значений SFE.

Здесь мы сообщаем о деформационном двойниковании и связанном с ним высоком эффекте упрочнения в легкой стали со сложным составом (CCS) с ЭДУ ~ 79 мДж/м2. Как отмечалось выше, обычно ожидается, что деформационное двойникование невозможно в объемных материалах с таким высоким SFE в условиях квазистатического растягивающего нагружения. CCS — это класс материалов, разработанный путем применения концепции высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) для модернизации обычных легких сталей Fe–Mn–Al–C20. Композиционные степени свободы, представленные концепцией высокой энтропии, позволяют сместить общий состав материала в режимы, при которых образуется уникальная смесь двойного наноосаждения \({{{{{\rm{\kappa }}}}}} Становятся возможными фазы \)-карбидов (упорядоченная гранецентрированная кубическая, FCC) и B2 (упорядоченная объемно-центрированная кубическая, BCC), обеспечивающие высокую прочность, необходимую для активации механических двойников.