"Nous avons mis des nanoprécipités dans une matrice transformable et avons soigneusement contrôlé leurs attributs, qui à son tour contrôlait quand et comment la matrice s'est transformée, " a dit Yang. " Dans ce matériel, nous avons intentionnellement induit la matrice à avoir la capacité de subir une transformation de phase."

L'alliage contient quatre éléments principaux :le fer, nickel, l'aluminium et le titane - qui forment la matrice et précipitent, et trois éléments mineurs :le carbone, le zirconium et le bore qui limitent la taille des grains, cristaux métalliques individuels.

Les chercheurs ont soigneusement gardé la composition de la matrice et la quantité totale de nanoprécipités les mêmes dans différents échantillons. Cependant, ils ont fait varier la taille et l'espacement des précipités en ajustant la température et le temps de traitement. En comparaison, un alliage de référence sans précipités mais ayant la même composition que la matrice de l'alliage contenant les précipités a également été préparé et testé.

"La résistance d'un matériau dépend généralement de la proximité des précipités les uns par rapport aux autres, " a dit George. " Quand vous leur faites quelques nanomètres [milliardièmes de mètre] en taille, ils peuvent être très rapprochés. Plus ils sont rapprochés, plus le matériau devient solide."

Alors que les nanoprécipités dans les alliages conventionnels peuvent les rendre super résistants, ils rendent également les alliages très cassants. L'alliage de l'équipe évite cette fragilité car les précipités remplissent une seconde fonction utile :en contraignant spatialement la matrice, ils l'empêchent de se transformer lors d'une trempe thermique, une immersion rapide dans l'eau qui refroidit l'alliage à température ambiante. Par conséquent, la matrice reste dans un état FCC métastable. Lorsque l'alliage est ensuite étiré ("tendu"), il se transforme progressivement de FCC métastable en BCC stable. Cette transformation de phase pendant la déformation augmente la résistance tout en maintenant une ductilité adéquate. En revanche, l'alliage sans précipité se transforme complètement en FCC stable pendant la trempe thermique, ce qui exclut une transformation ultérieure pendant la déformation. Par conséquent, il est à la fois plus faible et plus cassant que l'alliage à précipités. Ensemble, les mécanismes complémentaires du renforcement conventionnel par précipitation et de la transformation induite par la déformation ont augmenté la résistance de 20 à 90 % et l'allongement de 300 %.

« Ajouter des précipités pour bloquer les dislocations et rendre les matériaux ultra-résistants est bien connu, " a déclaré George. " Ce qui est nouveau ici, c'est que l'ajustement de l'espacement de ces précipités affecte également la propension à la transformation de phase, qui permet à de multiples mécanismes de déformation d'être activés au besoin pour améliorer la ductilité."

L'étude a également révélé une inversion surprenante de l'effet de renforcement normal des nanoprécipités :un alliage à base grossière, les précipités largement espacés sont plus résistants que le même alliage avec des particules fines, précipités rapprochés. Cette inversion se produit lorsque les nanoprécipités deviennent si petits et si compacts que la transformation de phase est essentiellement arrêtée pendant la déformation du matériau, un peu comme la transformation supprimée pendant la trempe thermique.

Cette étude s'est appuyée sur des techniques complémentaires réalisées dans les installations des utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL pour caractériser les nanoprécipités et les mécanismes de déformation. Au Centre des sciences des matériaux en nanophase, la tomographie par sonde atomique a montré la taille, distribution et composition chimique des précipités, tandis que la microscopie électronique à transmission a exposé les détails atomistiques des régions locales. Au réacteur isotopique à haut flux, la diffusion de neutrons aux petits angles a quantifié la distribution de précipités fins. Et à la source de neutrons de spallation, la diffraction des neutrons a sondé la transformation de phase après différents niveaux de contrainte.

"Cette recherche introduit une nouvelle famille d'alliages structuraux, ", a déclaré Yang. "Les caractéristiques des précipités et la chimie de l'alliage peuvent être précisément adaptées pour activer les mécanismes de déformation exactement au moment où cela est nécessaire pour contrecarrer le compromis résistance-ductilité."

Ensuite, l'équipe étudiera d'autres facteurs et mécanismes de déformation pour identifier des combinaisons susceptibles d'améliorer davantage les propriétés mécaniques.

Il s'avère, il y a beaucoup de place pour l'amélioration. « Les matériaux structurels d'aujourd'hui ne réalisent qu'une petite fraction - peut-être seulement 10 % - de leurs forces théoriquement capables, " a déclaré George. " Imaginez les économies de poids qui seraient possibles dans une voiture ou un avion - et les économies d'énergie qui en découlent - si cette résistance pouvait être doublée ou triplée tout en maintenant une ductilité adéquate. "

Le titre du La nature Le papier est "Les nanoprécipités bifonctionnels renforcent et ductilisent un alliage à entropie moyenne."