Wkraczając w przyszłość, materiałoznawstwo zmienia nasze rozumienie siły, elastyczności i odporności substancji. Wyobraź sobie metal, który nie tylko charakteryzuje się niezrównaną trwałością, ale także wytrzymuje najsurowsze warunki, nie naruszając przy tym swojej integralności strukturalnej. Daleka od sfery science fiction, ta wizja wprowadza nas w innowacyjny świat stopów o wysokiej entropii, które na nowo zdefiniują standardy w różnych gałęziach przemysłu, od lotnictwa i motoryzacji. Wśród tych przełomowych materiałów wyłania się szczególny wariant, wyróżniający się wyjątkowymi właściwościami. To nie jest tylko dodatek do szerokiej gamy materiałów znanych nauce, ale stanowi czołowy element badań, w których materiały dostosowują się tak samo, jak są trwałe.

Zagłębiając się w naukę o materiałach, badanie stopów o wysokiej entropii przedstawia granicę pełną możliwości wytwarzania substancji o niezrównanych właściwościach. AlCoCrFeNi_2.1 eutektyczny stop o wysokiej entropii (EHEA), wyróżniający się w różnorodnej rodzinie HEA, słynie z doskonałej wytrzymałości, plastyczności i ogromnej odporności na korozję i wyzwania termiczne. Prowadząc tę ​​podróż dochodzeniową, dr Peijian Shi z Uniwersytetu Miejskiego w Hongkongu, wraz z Chunmei Liu i profesorem Yunbo Zhongiem z Uniwersytetu w Szanghaju, naświetlili ścieżki optymalizacji tych stopów. Ich badania, udokumentowane w czasopiśmie Journal Materials Research and Technology, badają skomplikowaną równowagę mikrostruktur i właściwości uzyskanych poprzez kierunkowe krzepnięcie w połączeniu ze strategicznym zastosowaniem silnego pola magnetycznego, zwiastując nową erę postępu materiałowego.

W kompleksowym badaniu zespołu dokładnie zbadano wpływ prędkości wzrostu na tworzenie mikrostruktury i właściwości mechaniczne AlCoCrFeNi_2.1 EHEA. Dzięki kierunkowemu krzepnięciu – procesowi umożliwiającemu precyzyjną kontrolę nad szybkością chłodzenia materiału, a tym samym jego cechami mikrostrukturalnymi, naukowcy odkryli, że zmiana prędkości wzrostu znacząco wpływa na rozstaw lamelek stopu i właściwości mechaniczne. Przy niższych prędkościach wzrostu materiał wykazuje strukturę lamelarną złożoną z naprzemiennych lameli o powierzchni sześciennej i fazy B2. Co ciekawe, granica plastyczności stopu wzrasta wraz z szybkością wzrostu, podczas gdy jego ostateczna wytrzymałość na rozciąganie spada, przy stosunkowo stałej ciągliwości.

Dr Peijian Shi podkreśla: “Materiały heterostrukturalne składają się z heterogenicznych obszarów o znacznie różnych właściwościach mechanicznych lub fizycznych. Interaktywne sprzężenie między tymi strefami generuje efekt synergistyczny, przewyższający przewidywania reguły mieszanin. W rezultacie materiały heterostrukturalne wykazują lepsze właściwości mechaniczne lub fizyczne w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami jednorodnymi. Precyzyjne kontrolowanie gradientu temperatury i szybkości krzepnięcia podczas procesu krzepnięcia, w EHEA można osiągnąć optymalną heterostrukturę, co prowadzi do ulepszonych ogólnych właściwości mechanicznych materiał.” To stwierdzenie podkreśla niezwykły potencjał struktur heterogenicznych w poprawianiu właściwości materiału i podkreśla znaczenie skrupulatnej kontroli podczas procesu krzepnięcia w celu dostosowania właściwości materiału.

Kluczowym odkryciem badania jest zjawisko podwójnej plastyczności obserwowane w stopie w pewnych warunkach, co podkreśla złożoną interakcję pomiędzy różnymi fazami podczas odkształcania. Zjawisko to zapewnia cenny wgląd w mechanizmy odkształcenia materiału, podkreślając niuansową równowagę między wytrzymałością i ciągliwością, jaką można osiągnąć w stopach o wysokiej entropii.

Chunmei Liu zauważył: „Granica fazy eutektycznej utrudnia ruch dyslokacji, sprzyja powstawaniu naprężeń wstecznych oraz poprawia plastyczność odkształcania i zdolność materiału do utwardzania przez zgniot”. Spostrzeżenie to podkreśla, w jaki sposób cechy mikrostrukturalne wpływają na właściwości mechaniczne materiału.

Kolejnym wzbogaceniem wyników badania jest zastosowanie silnego pola magnetycznego podczas procesu kierunkowego krzepnięcia, które ujawnia potencjał manipulacji mikrostrukturą. Profesor Yunbo Zhong zauważył: „Dokładnie przeanalizowano interakcję siły termoelektryczno-magnetycznej i konwekcji termoelektryczno-magnetycznej oraz potencjalny mechanizm ewolucji mikrostruktury pod wpływem pola magnetycznego”. Ta obserwacja wskazuje na skomplikowany wpływ pól magnetycznych na naukę o materiałach.

Konsekwencje tych badań są dalekosiężne i oferują nowe zrozumienie zależności między warunkami przetwarzania, mikrostrukturą i właściwościami hierarchicznie heterostrukturalnych stopów o wysokiej entropii. Możliwość kontrolowania i manipulowania tymi czynnikami otwiera ekscytujące możliwości opracowywania materiałów o właściwościach dostosowanych do konkretnych zastosowań, szczególnie w branżach, w których materiały poddawane są ekstremalnym warunkom. Podsumowując, prace dr Shi, Liu, profesora Zhonga i ich współpracowników stanowią znaczący postęp w badaniach stopów o wysokiej entropii. Odkrywając zawiłe powiązania między kontrolą mikrostruktury a właściwościami materiału, położyli podwaliny pod przyszłe postępy w naukach o materiałach, obiecując nowe generacje materiałów o niezrównanej wydajności.

ODNIESIENIE DO DZIENNIKA

Xin Jiang, Yi Li, Peijian Shi i in., „Synergistyczna kontrola mikrostruktur i właściwości eutektycznych stopów o wysokiej entropii poprzez kierunkowe krzepnięcie i silne pole magnetyczne”, Journal of Materials Research and Technology, 2024.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.01.058.

O AUTORZE

Shi Peijianadynamiczny młody naukowiec, uzyskał tytuł licencjata na Uniwersytecie Jinan w 2016 r., a doktorat z inżynierii na Uniwersytecie w Szanghaju w 2021 r. W październiku tego samego roku rozpoczął staż badawczy podoktorski na City University of Hong Kong, współpracując z prof. CT Liu i prof. Yuntianem Zhu jako współpromotorami. Do jego niezwykłych osiągnięć należy zdobycie pierwszej nagrody w dziedzinie nauki i technologii chińskiego przemysłu metali nieżelaznych, pierwszej nagrody w dziedzinie nauki i technologii w Szanghaju, tytułu wybitnego badacza podoktorskiego w Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS) oraz tytułu najlepszego badacza na 16. Międzynarodowej edycji nagród za badania w dziedzinie nauki, zdrowia i inżynierii. Zaangażowany w rozwój nauk o materiałach, Shi Peijian odegrał kluczową rolę w opracowywaniu materiałów prototypowych o kluczowych zastosowaniach, projektowaniu mikrostruktur, charakterystyce mechanicznej, badaniach mechanizmów deformacji i uszkodzeń w różnych skalach długości. Jego niedawne skupienie się na stopach o wysokiej entropii, stopach miedzi i ich zastosowaniach, ultradrobnoziarnistych strukturach heterolamelarnych, dyslokacjach krawędzi/śrub, różnorodnych bliźniakach mechanicznych, ograniczonym przejściu martenzytycznym i hierarchicznym buforowaniu pęknięć pokazuje głębokość jego wkładu. Jako eksperymentator Peijian Shi łączy żywe zainteresowanie podstawowymi aspektami inżynierii materiałowej z pasją do projektowania materiałów o doskonałej wytrzymałości i plastyczności. Wyniki jego badań publikował w prestiżowych czasopismach, takich jak Science, Nature Communications i Materials Today, gdzie często pełni rolę pierwszego autora (https://www.researchgate.net/profile/Peijian-Shi-3). Dowodząc swojej pozycji w tej dziedzinie, Shi Peijian wygłosił porywający wykład zatytułowany „Hierarchical Crack Buffering Triples Ductility in Eutectic Herringbone High-Entropy Alloys” podczas konferencji Materials Science and Technology in Europe, FEMS EUROMAT, która odbyła się we Frankfurcie nad Menem w Niemczech w 2023 r. Zaprezentował także istotne spostrzeżenia akademickie podczas dorocznego spotkania i wystawy TMS oraz konferencji badawczej Gordona na temat materiałów heterogenicznych. Oprócz swoich umiejętności badawczych Shi Peijian jest głęboko zaangażowany w rozpowszechnianie badań naukowych i innowacji, wnosząc cenny wkład w globalną społeczność zajmującą się materiałoznawstwem.