Via de deformação da amostra CrMnFeCoNi HEA a 15 K. Linhas tracejadas verticais são traçadas para apontar as mudanças no comportamento de deformação:(1) Início do deslizamento de deslocamento; (2) início das falhas de empilhamento; (3) primeiro sinal de serrilhas; e (4) serrilhas massivas coincidiram com a saturação do deslizamento de deslocamento. Crédito:© City University of Hong Kong / Science Advances
Uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas da City University of Hong Kong (CityU) descobriu recentemente que ligas de alta entropia (HEAs) exibem propriedades mecânicas excepcionais em temperaturas ultrabaixas devido à coexistência de múltiplos mecanismos de deformação. Sua descoberta pode ser a chave para projetar novos materiais estruturais para aplicações em baixas temperaturas.
Professor Wang Xunli, um membro recém-eleito da Sociedade de Dispersão de Nêutrons da América, Professor titular e chefe do Departamento de Física da CityU, colaborou com cientistas do Japão e da China continental na condução deste estudo desafiador sobre os comportamentos de deformação dos HEAs em temperaturas ultrabaixas. Os resultados de suas pesquisas foram publicados na última edição da revista científica Avanços da Ciência , intitulado "Deformação cooperativa em ligas de alta entropia em temperaturas ultrabaixo."
Espalhamento de nêutrons:uma ferramenta de medição poderosa
HEAs são uma nova classe de materiais estruturais com propriedades mecânicas favoráveis, como uma excelente combinação resistência-ductilidade, alta resistência à fratura, e resistência à corrosão. Consiste em vários elementos principais, contribuindo para comportamentos de deformação complexos.
Os materiais normalmente se tornam frágeis em baixas temperaturas porque os átomos são "congelados" e perdem sua mobilidade. Mas os HEAs demonstram alta ductilidade e podem ser esticados para uma grande deformação em baixas temperaturas. "Este fenômeno foi descoberto pela primeira vez em 2014, mas o mecanismo por trás disso ainda é desconhecido. É intrigante, "disse o professor Wang, que vem estudando o mecanismo desde então e é o autor correspondente do artigo.
Para resolver este quebra-cabeça, a equipe de pesquisa liderada pelo professor Wang fez uso da técnica de difração de nêutrons in-situ para estudar o processo de deformação dos HEAs. "A medição da difração de nêutrons é um dos poucos meios de observar o que está acontecendo durante a deformação dos materiais. Podemos ver cada etapa:qual mecanismo é acionado primeiro, e como cada um deles interage com os outros, o que não é viável por métodos experimentais convencionais, como microscopia eletrônica de transmissão, "Professor Wang explicou.
"Mais importante, pode realizar medições em temperaturas ultrabaixas, ou seja, perto do zero absoluto. E as medições são representativas da maior parte da amostra, e não da superfície ou área localizada, fornecer informações microscópicas, por exemplo, como os diferentes grãos dos materiais interagiram uns com os outros, " ele adicionou.
Muhammad Naeem prepara o experimento em TAKUMI, um difratômetro de materiais de engenharia no Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) usado para realizar medições de difração de nêutrons in-situ em várias amostras de HEA, que todos mostraram um processo de deformação em vários estágios. Crédito:© Professor Wang Xunli / City University of Hong Kongc
Sequência de mecanismos de deformação revelada
Usando esta técnica, a sequência de mecanismos de deformação em HEAs em temperaturas ultrabaixas é revelada pela primeira vez. A equipe descobriu que em 15 Kelvin (K), o HEA se deforma em quatro estágios.
Começa com o deslizamento de deslocamento, um mecanismo de deformação comum para materiais cúbicos de face centrada, onde os planos da estrutura de cristal deslizam uns sobre os outros. Enquanto os deslocamentos continuam, as falhas de empilhamento tornam-se gradualmente ativas e dominantes onde a sequência de empilhamento dos planos da rede cristalina é alterada pela deformação. É então seguido por geminação, onde ocorre a desorientação dos planos da rede, resultando em uma imagem espelhada do cristal-pai. Finalmente, ele transita para serrilhados onde o HEA mostra grandes oscilações de tensões de deformação.
"É interessante ver como esses mecanismos se tornam ativos e cooperam uns com os outros quando o material se deforma, "disse Muhammad Naeem, um graduando Ph.D. estudante e assistente de pesquisa sênior do Departamento de Física da CityU, quem é o primeiro autor do artigo.
Em seus experimentos, eles descobriram que os HEAs mostraram um endurecimento por deformação mais alto e mais estável (no qual os materiais se tornam mais fortes e mais duros após a deformação), e extremamente alta ductilidade à medida que a temperatura diminuía. Com base na análise quantitativa de seus dados experimentais in situ, eles concluíram que os três mecanismos de deformação adicionais observados - falhas de empilhamento, geminação, e serrilhados, bem como a interação entre esses mecanismos, são a fonte dessas propriedades mecânicas extraordinárias.
Um novo terreno:deformações em temperaturas ultrabaixas
Todo o estudo levou a equipe quase três anos, e continuará estudando o fenômeno. "Mecanismos de deformação complicados em HEAs em temperaturas ultrabaixas é um terreno novo que muito poucas pessoas exploraram antes. As descobertas deste estudo mostram apenas a ponta do iceberg, "disse o professor Wang.
Para a próxima etapa, a equipe investigará ainda mais quando as falhas de empilhamento aparecerão em outras ligas, e analisar seus mecanismos de deformação em diferentes temperaturas. "Compreender os mecanismos de deformação facilitará o projeto de novas ligas. Ao implantar diferentes mecanismos em sinergia, podemos ajustá-los para alcançar melhores propriedades mecânicas para aplicações em baixas temperaturas, "disse o Sr. Naeem.
