Une équipe de recherche co-dirigée par des scientifiques des matériaux de la Metropolis University of Hong Kong (CityU) a récemment découvert un nouveau mécanisme pour augmenter la résistance et la ductilité d’un alliage à haute entropie, deux propriétés qui varient normalement en sens inverse l’une de l’autre. Les résultats fournissent des informations importantes pour la conception future d’alliages à haute entropie solides mais ductiles et de céramiques à haute entropie.
Le compromis résistance-ductilité est un problème de longue day pour les alliages conventionnels qui sont généralement basés sur un ou deux éléments principaux, ce qui signifie que l’augmentation de la résistance sacrifie généralement la ductilité. Au cours de la dernière décennie, une nouvelle stratégie de conception d’alliage a été proposée : mélanger plusieurs éléments pour former des alliages, appelés « alliages à éléments multiples » (MPEA) ou « alliages à haute entropie » (HEA). Les MPEA présentent d’excellentes propriétés mécaniques, telles qu’une grande ductilité et une superbe résistance.
On pense que ces excellentes propriétés mécaniques proviennent d’une grave distorsion du réseau atomique causée par le mélange aléatoire de plusieurs éléments principaux avec des tailles atomiques distinctes, des variations de liaison et des différences de composition cristalline, qui à leur tour conduisent à un “effet de déformation de réseau hétérogène”. Cependant, le champ de déformation du réseau hétérogène (un champ de déformation fait référence à la distribution de la déformation à travers une partie d’un corps) est difficile à quantifier et à caractériser, de sorte que son influence sur le renforcement des alliages through la dislocation dynamique tridimensionnelle (3D) a été ignoré jusqu’à récemment..
Mais les dernières expériences et une série de simulations réalisées par l’équipe de recherche co-dirigée par le professeur Yang Yong, du département de génie mécanique de CityU, et le professeur Fang Qihong, de l’université du Hunan, montrent que le champ de déformation hétérogène pourrait contribuer à l’amélioration mécanique propriétés des MPEA à travers les nouveaux mécanismes hétérogènes de renforcement induit par la déformation, conduisant à une synergie résistance-ductilité dans les alliages. Leurs découvertes ont été publiées dans la revue scientifique The Proceedings of the Nationwide Academy of Sciences (PNAS) sous le titre “Heterogeneous lattice souches renforçant dans des solides cristallins sévèrement déformés”.
“Les manuels de science et d’ingénierie des matériaux énumèrent traditionnellement quatre mécanismes de renforcement de la ductilité : le renforcement des dislocations, le renforcement des solutés, le renforcement des joints de grains et le renforcement des précipitations”, a expliqué le professeur Yang. “Cette connaissance des manuels est enseignée depuis des centaines d’années dans les universités aux étudiants qui se spécialisent en science des matériaux, en génie mécanique et en physique appliquée.” “Maintenant, nous avons découvert un nouveau mécanisme de renforcement de la ductilité grâce à des expériences et des simulations numériques, que nous appelons” renforcement de la déformation du réseau hétérogène “.”
Contrairement aux mécanismes de renforcement traditionnels, qui conduisent généralement à un compromis résistance-ductilité, ce mécanisme de renforcement nouvellement découvert favorise la synergie résistance-ductilité, ce qui signifie que les chercheurs peuvent augmenter simultanément la résistance et la ductilité d’un alliage à haute entropie. “Les nouvelles découvertes aident à expliquer de nombreuses découvertes récentes dont les mécanismes font l’objet de débats et guident le développement de nouveaux métaux et céramiques solides mais ductiles”, a ajouté le professeur Yang.
Dans les expériences, l’équipe de recherche a d’abord caractérisé les déformations du réseau dans l’alliage à haute entropie FeCoCrNiMn à l’aide de strategies telles que l’analyse de phase géométrique (GPA) basée sur la microscopie électronique à transmission (TEM) à haute résolution. Il a ensuite effectué des tests de compression de micropiliers pour étudier comment les dislocations glissent et se croisent dans l’alliage. Ensuite, l’équipe a effectué des simulations approfondies de la dynamique des dislocations discrètes (DDD) en incorporant les déformations du réseau mesurées expérimentalement.
Les expériences ont montré que la déformation du réseau limitait non seulement le mouvement des dislocations, améliorant ainsi la limite d’élasticité, mais favorisait également les glissements croisés des dislocations pour améliorer la ductilité. Les résultats ont démontré l’effet significatif du champ de déformation hétérogène sur les propriétés mécaniques de l’alliage. Ils offrent une nouvelle standpoint pour sonder l’origine de la haute résistance des alliages à haute entropie et ouvrent de nouvelles voies pour le développement de matériaux cristallins avancés.
Les initiatives combinés des expériences et des simulations informatiques ont révélé les mécanismes physiques qui sous-tendent la synergie résistance-ductilité observée dans les expériences. “Les résultats de cette étude fournissent un mécanisme fondamental pour surmonter le compromis résistance-ductilité auquel sont confrontés les alliages traditionnels”, a déclaré le professeur Yang.
Les premiers auteurs sont le Dr Li Jia et le Dr Chen Yang, de l’Université du Hunan, et le Dr He Quanfeng, de CityU (alors doctorant du professeur Yang). Parmi les autres collaborateurs figurent le professeur Liu Chain-tsuan, professeur émérite universitaire au College of Engineering de CityU, le professeur Peter K. Liaw, de l’Université du Tennessee, aux États-Unis, et le professeur Liu Yong, de l’Université Central South. Les principales sources de financement étaient le Fonds général de recherche et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC).