Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de la City University of Hong Kong (CityU) a récemment découvert que les alliages à haute entropie (HEA) présentent des propriétés mécaniques exceptionnelles à des températures ultra basses en raison de la coexistence de multiples mécanismes de déformation. Leur découverte pourrait être la clé de la conception de nouveaux matériaux structurels pour des applications à basse température.

Professeur Wang Xunli, un membre nouvellement élu de la Neutron Scattering Society of America, Professeur titulaire et chef du département de physique à CityU, a collaboré avec des scientifiques du Japon et de la Chine continentale pour mener cette étude stimulante sur les comportements de déformation des HEA à des températures ultra-basses. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans le dernier numéro de la revue scientifique Avancées scientifiques , intitulé "Déformation coopérative dans les alliages à haute entropie à des températures ultra-basses."

La diffusion des neutrons :un outil de mesure puissant

Les HEA sont une nouvelle classe de matériaux de structure aux propriétés mécaniques favorables, comme une excellente combinaison résistance-ductilité, haute ténacité à la rupture, et la résistance à la corrosion. Il se compose de plusieurs éléments principaux, contribuant à des comportements de déformation complexes.

Les matériaux deviennent normalement cassants à basse température car les atomes sont "gelés" et perdent leur mobilité. Mais les HEA présentent une ductilité élevée et peuvent être étirés jusqu'à une grande déformation à basse température. "Ce phénomène a été découvert pour la première fois en 2014, mais le mécanisme derrière cela est encore inconnu. C'est intriguant, " a déclaré le professeur Wang, qui étudie le mécanisme depuis lors et est l'auteur correspondant de l'article.

Pour résoudre cette énigme, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Wang a utilisé la technique de diffraction des neutrons in situ pour étudier le processus de déformation des HEA. « La mesure par diffraction des neutrons est l'un des rares moyens d'observer ce qui se passe lors de la déformation des matériaux. Nous pouvons voir chaque étape :quel mécanisme se déclenche en premier, et comment chacun d'eux interagit avec les autres, ce qui n'est pas réalisable par les méthodes expérimentales conventionnelles comme la microscopie électronique à transmission, " expliqua le professeur Wang.

"Plus important, il peut effectuer des mesures à des températures ultra-basses, c'est à dire., proche du zéro absolu. Et les mesures sont représentatives de la masse de l'échantillon plutôt que de la surface ou de la zone localisée, fournir des informations microscopiques comme la façon dont les différents grains des matériaux interagissent les uns avec les autres, " il ajouta.

Séquence de mécanismes de déformation révélée

En utilisant cette technique, la séquence des mécanismes de déformation dans les HEA à ultra-basse température est révélée pour la première fois. L'équipe a découvert qu'à 15 Kelvin (K), le HEA se déforme en quatre étapes.

Cela commence par le glissement de la luxation, un mécanisme de déformation commun pour les matériaux cubiques à faces centrées, où les plans du réseau cristallin glissent les uns sur les autres. Alors que les luxations continuent, les failles d'empilement deviennent progressivement actives et dominantes là où la séquence d'empilement des plans du réseau cristallin est modifiée par la déformation. Il est ensuite suivi d'un jumelage, où se produit la désorientation des plans du réseau, résultant en une image miroir du cristal parent. Finalement, il transite vers des dentelures où le HEA montre de grandes oscillations de contrainte déformante.

« Il est intéressant de voir comment ces mécanismes s'activent et coopèrent entre eux lorsque le matériau se déforme, " a dit Muhammad Naeem, un doctorat diplômé. étudiant et assistant de recherche principal du département de physique de CityU, qui est le premier auteur de l'article.

Dans leurs expériences, ils ont constaté que les HEA présentaient un écrouissage plus élevé et plus stable (dans lequel les matériaux deviennent plus solides et plus durs après déformation), et une ductilité extrêmement élevée lorsque la température diminue. Sur la base de l'analyse quantitative de leurs données expérimentales in-situ, ils ont conclu que les trois mécanismes de déformation supplémentaires observés - les failles d'empilement, jumelage, et dentelures, ainsi que l'interaction entre ces mécanismes, sont à l'origine de ces propriétés mécaniques extraordinaires.

Un nouveau terrain :les déformations à ultra basses températures

L'ensemble de l'étude a pris à l'équipe près de trois ans, et continuera à étudier le phénomène. "Les mécanismes de déformation compliqués dans les HEA à des températures ultra-basses sont un nouveau terrain que très peu de gens ont exploré auparavant. Les résultats de cette étude ne montrent que la pointe de l'iceberg, " a déclaré le professeur Wang.

Pour leur prochaine étape, l'équipe étudiera plus en détail lorsque des défauts d'empilement apparaîtront dans d'autres alliages, et analyser leurs mécanismes de déformation à différentes températures. « La compréhension des mécanismes de déformation facilitera la conception de nouveaux alliages. En déployant différents mécanismes en synergie, nous pouvons les régler pour obtenir de meilleures propriétés mécaniques pour des applications à basse température, " a déclaré M. Naeem.