L'oxygène est un élément abondant qui peut former des impuretés indésirables ou des phases céramiques dans les matériaux métalliques, tandis que le dopage de l'élément sur le métal peut rendre les substrats fragiles. Lors des interactions avec les alliages métalliques, l'oxygène prend un état entre les particules d'oxyde et les interstitiels aléatoires fréquents pour former des complexes d'oxygène ordonnés. Dans une nouvelle étude, les scientifiques des matériaux Zhinfeng Lei et ses collègues ont observé que contrairement au renforcement interstitiel traditionnel, de tels complexes interstitiels ordonnés pourraient former des alliages à haute entropie (HEA) avec une amélioration sans précédent de la résistance et de la ductilité dans des solutions solides de composition complexe. Lorsque les scientifiques ont dopé un modèle TiZrHfNb HEA avec 2,0 pour cent atomique (2 at%) d'oxygène, ils ont observé une résistance à la traction et une ductilité sensiblement améliorées, rompre un conflit de longue date sur le compromis de résistance et de ductilité.

Ingénierie forte, les matériaux durs (tolérants aux dommages) nécessitent traditionnellement de trouver un compromis entre dureté et ductilité. Dans la nouvelle étude, les complexes d'oxygène ont été structurellement ordonnés dans des régions à l'échelle nanométrique au sein de la HEA caractérisées par l'oxygène, zirconium et titane (O, Zr, complexes atomiques riches en Ti). La formation de ces complexes a été favorisée par un ordre chimique à courte distance parmi les éléments de la matrice au sein des HEA. Dans les HEA cubiques à faces centrées, il a été rapporté que le carbone améliore la résistance et la ductilité en abaissant l'énergie des défauts d'empilement et en augmentant la contrainte de frottement du réseau.

Par contre, complexes interstitiels ordonnés décrits par Lei et al. a médié un mécanisme de récolte de souches avec un potentiel d'utilisation spécifique dans Ti, Zr, et des alliages contenant du Hf (Hafnium). Les éléments interstitiels sont généralement hautement indésirables dans de tels alliages métalliques en raison de leurs effets de fragilisation et du fait que le réglage de l'énergie de défaut d'empilement et l'exploitation du transfert thermique n'avaient pas conduit auparavant à une amélioration des propriétés dans d'autres alliages. Les nouveaux résultats de l'étude ont donc fourni un aperçu du rôle des solutions solides interstitielles et des mécanismes associés de renforcement des matériaux métalliques. L'ouvrage est maintenant publié dans La nature .

Dans l'étude, les chercheurs ont étudié l'alliage de base TiZrHfNb et sa variante optimalement dopée à l'oxygène (TiZrHfNb) 98 O 2 (noté O-2 HEA ici) à titre de comparaison, à côté d'une variante interstitielle avec 2,0 pour cent atomique d'azote (TiZrHfNb) 98 N 2 , jusqu'à présent appelé N-2 HEA. Les propriétés mécaniques des trois types de HEA ont été observées à l'aide de courbes contrainte-déformation en traction. Un fort effet de renforcement a été observé pour les HEA dopés à l'oxygène et à l'azote. Comme attendu du renforcement interstitiel conventionnel, la ductilité du N-2 HEA est réduite. L'ajout de 0,2 % atomique (pourcentage atomique) d'oxygène à la base HEA (TiZrHfNb) a amélioré sa résistance et sa ductilité. Un effet d'écrouissage important a été observé pour l'O-2 HEA par rapport à la base-HEA et au N-2 HEA, pour conférer une augmentation inattendue de la ductilité au matériau dopé à l'oxygène. L'ajout de plus de 3,0 at% d'oxygène, cependant, conduit à une détérioration des propriétés mécaniques observées.

Pour comprendre le mécanisme sous-jacent de cette anomalie, effet de renforcement interstitiel en solution solide observé avec des matériaux dopés à l'oxygène, les nanostructures des matériaux ont été étudiées à l'échelle atomique. Pour ça, les scientifiques ont d'abord utilisé des modèles de diffraction des rayons X (XRD) synchrotron à haute énergie de la base HEA par rapport aux deux variantes d'alliage de O-2 et N-2 HEA. Les résultats ont montré que l'ajout d'azote ou d'oxygène à la base HEA n'a pas modifié sa structure cubique centrée sur le corps monophasique (b.c.c). Cette observation a été confirmée par une cartographie de diffraction par rétrodiffusion d'électrons. Dans le microscope électronique à transmission à balayage, des images de micrographie à champ sombre annulaire à angle élevé (STEM-HAADF) de l'O-2 HEA ; les atomes légers étaient représentés en contraste sombre, tandis que les atomes lourds ont été imagés brillants.

Les observations ont révélé des régions d'atomes légers (Ti, riche en Zr) et des régions riches en atomes lourds (Nb, riche en Hf) dans le O-2 HEA. Des zones similaires sont également apparues dans les images STEM de la base et des HEA N-2 pour confirmer l'ordre chimique à courte portée parmi les éléments de la matrice métallique en tant que caractéristique inhérente des HEA. Lors de la déformation dans l'un des trois alliages, aucune transformation de phase ne s'est produite. La microscopie électronique à transmission (MET) ex-situ et les tests mécaniques in-situ ont confirmé que la déformation des trois alliages se produisait de la même manière via le processus de glissement de dislocation.

L'analyse statistique des images STEM-HAADF et des images en champ clair annulaire (ABF) correspondantes réalisées par la suite a démontré que l'oxygène préférait les positions interstitielles adjacentes aux sites de réseau riches en atomes de lumière. Une telle préférence n'a pas été observée dans le N-2 HEA. Conformément au modèle de renforcement en solution solide proposé par Fleischer, les calculs pour les HEA O-2 et N-2 ont confirmé que leurs mécanismes de durcissement étaient de nature interstitielle. Encore, contrairement au renforcement interstitiel traditionnel qui fragilise les alliages, la présence d'oxygène a simultanément augmenté à la fois la résistance et la ductilité dans le b.c.c TiZrHfNb HEA.

La question clé posée par l'analyse de la sous-structure est de savoir pourquoi l'ajout d'oxygène interstitiel a considérablement amélioré la capacité d'écrouissage et la ductilité de l'alliage, par rapport aux complexes azotés. Lors de la déformation plastique, les dislocations sont généralement stockées et disposées en motifs ordonnés dans des alliages métalliques. Pour étudier de tels modèles de luxation plus en détail, les chercheurs ont effectué une caractérisation STEM à haute résolution corrigée des aberrations d'échantillons précontraints. A l'échelle nanométrique, les complexes contenant de l'oxygène ont gravement déformé le réseau local, provoquant un grand champ de contrainte autour d'eux. Lors de la déformation, les complexes d'oxygène ordonnés (OOC) interagissaient avec les dislocations comme le révèlent les images STEM. Pour éclairer davantage les mécanismes intrinsèques à l'échelle atomique, les scientifiques ont effectué des STEM avec correction d'aberrations. À ce point, ils ont observé que les caractéristiques intrinsèques des OOC dans la variante d'alliage O-2 HEA ont permis un écrouissage élevé en raison des parois dipolaires qui ont émergé avec une contrainte croissante qui a finalement conduit à une ductilité plus élevée dans les matériaux dopés à l'oxygène. Une telle dynamique de dislocation complexe n'a pas été observée pour le N-2 HEA, résultant en une ductilité relativement modeste.

Les conclusions de Lei et al. ont montré que le conflit résistance-ductilité pouvait être surmonté pour une classe d'alliages métalliques (HEA), tout en démontrant un tout nouveau type de mécanisme d'écrouissage basé sur des complexes interstitiels ordonnés. La réserve d'écrouissage élevée qui en résulte a conduit à une résistance et une ductilité accrues. Par lui-même, la base HEA (TiZrHfNb) n'est pas adaptée à une utilisation dans des applications à haute température en raison de problèmes d'oxydation. Alliage avec des éléments antioxydants tels que Al, Si et Cr pourraient améliorer la résistance à l'oxydation avec les HEA - comme cela a également été vu précédemment dans les conceptions HEA. Les auteurs recommandent l'application de ces mécanismes de renforcement interstitiel ordonnés à une plus large gamme d'autres classes de matériaux d'alliage pour une résistance-ductilité et un écrouissage améliorés lors du développement de matériaux avancés.

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