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May 18, 2024

Gemellaggio ad alto stress in un acciaio composizionalmente complesso con energia di faglia di impilamento molto elevata

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3598 (2022) Cita questo articolo 7188 Accessi 25 Citazioni 3 Dettagli sulle metriche alternative Il gemellaggio della deformazione si trova raramente nella massa cubica a facce centrate

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3598 (2022) Citare questo articolo

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Il gemellaggio della deformazione si trova raramente nelle leghe cubiche a facce centrate (FCC) con energia di guasto di impilamento (SFE) molto elevata in condizioni di carico standard. Qui, sulla base dei risultati di esperimenti di trazione quasi-statica in massa, riportiamo il twinning di deformazione in un acciaio composizionalmente complesso (CCS) di dimensioni micrometriche di grani con un SFE molto elevato di ~79 mJ/m2, molto al di sopra del regime SFE per il twinning (< ~50 mJ/m2) riportato per gli acciai FCC. La doppia nanoprecipitazione, consentita dai gradi di libertà compositivi, contribuisce a uno stress di trazione reale ultraelevato fino a 1,9 GPa nel nostro CCS. L'effetto di rafforzamento aumenta lo stress di flusso per raggiungere l'elevato valore critico per l'inizio del geminamento meccanico. La formazione di nanogemelli a sua volta consente ulteriori meccanismi di incrudimento e di indurimento che migliorano le prestazioni meccaniche. L’effetto di gemellaggio ad elevate sollecitazioni introduce un meccanismo di rafforzamento e tenacizzazione finora non sfruttato, per consentire la progettazione di leghe ad alto contenuto di SFE con proprietà meccaniche migliorate.

I meccanismi di deformazione plastica che governano le prestazioni meccaniche dei materiali metallici cristallini comprendono dislocazioni, gemellaggi, difetti di impilamento e trasformazioni di fase dislocanti1. Mentre il movimento dei primi difetti, cioè delle dislocazioni, mantiene la coerenza reticolare, gli ultimi tre meccanismi creano rotture di simmetria, manifestate da cambiamenti nella sequenza di impilamento dei piani atomici densamente impaccati. Questo difetto cristallino è chiamato faglia di impilamento e la penalità energetica associata è denominata energia di faglia di impilamento (SFE)2. Dal punto di vista cinematico, i gemelli, i difetti di impilamento e le trasformazioni di fase spostative sono trasportati da dislocazioni parziali3. Queste hanno un'energia propria minore rispetto alle dislocazioni reticolari complete, ma quando attivate, le dislocazioni parziali spostano localmente il reticolo nella configurazione sbagliata, creando così il difetto di impilamento. Per questo motivo, gemelli, difetti di impilamento e trasformazioni di fase spostative, che possono conferire ai metalli eccellenti caratteristiche di incrudimento, sono tipicamente assenti nei materiali sfusi con SFE relativamente elevati, come Al puro (166 mJ/m2) e Ni (125 mJ/m2). m2)2,4,5, in cui lo scorrimento della dislocazione concorrente è energeticamente meno costoso4,6. Pertanto, ad eccezione di alcuni casi estremi7,8,9,10,11,12, come la deformazione di film di Al nanocristallino sotto microindentazione7 o Al sfuso esposto a velocità di deformazione elevate11, il comportamento di deformazione dei materiali ad alto SFE è governato dalle dislocazioni. Di conseguenza, le leghe sfuse con elevato SFE fino ad oggi non hanno liberato le eccellenti riserve di incrudimento fornite dai gemelli meccanici e dai difetti di impilamento.

Secondo studi precedenti condotti negli ultimi decenni, il twinning per deformazione non è stato riscontrato nemmeno negli acciai Fe-Mn-Al-C caricati a trazione con elevato SFE (il limite superiore per il twinning è ~50 mJ/m2), una classe di materiali promettente per applicazioni ingegneristiche altamente impegnative grazie alla bassa densità di massa, alle eccellenti proprietà meccaniche e ai bassi costi13. La deformazione degli acciai leggeri Fe–Mn–Al–C è inizialmente dominata dallo scorrimento planare delle dislocazioni, che evolve ulteriormente in bande di scorrimento costituite da elevate densità di dislocazioni man mano che la deformazione procede14. Tuttavia, regimi di resistenza e duttilità più elevati rimangono inaccessibili per queste leghe poiché i meccanismi di incrudimento disponibili rimangono limitati alle dislocazioni e alle loro interazioni con i bordi dei grani e i precipitati15,16,17. L'effetto di plasticità indotta dal gemellaggio (TWIP), in quanto meccanismo di incrudimento e tenacizzazione altamente efficace che consente proprietà meccaniche interessanti18,19, è rimasto inaccessibile per questi materiali, a causa dei loro elevati SFE.

Qui riportiamo il gemellaggio delle deformazioni e l'elevato effetto di rinforzo associato in un acciaio leggero composizionalmente complesso (CCS) con un SFE di ~79 mJ/m2. Come notato sopra, di solito ci si aspetta che il gemellaggio delle deformazioni sia impossibile che si verifichi in materiali sfusi con SFE così elevato in condizioni di carico di trazione quasi statico. I CCS sono una classe di materiali sviluppati applicando il concetto di leghe ad alta entropia (HEA) alla riprogettazione degli acciai leggeri convenzionali Fe-Mn-Al-C20. I gradi di libertà compositiva introdotti dal concetto di alta entropia consentono di spostare la composizione complessiva del materiale in regimi in cui si verifica la formazione di una miscela unica di doppia nanoprecipitazione di \({{{{{\rm{\kappa }}}}}} \)-carburi (cubico a faccia centrata ordinata, FCC) e le fasi B2 (cubica a corpo centrato ordinato, BCC) diventano possibili, producendo l'elevata resistenza richiesta per attivare i gemelli meccanici.