ساخت آلیاژهای تک فازی و آنتروپی متوسط بسیار مستحکم از طریق اعوجاج شدید شبکه
Ultrastrong Medium-Entropy Single-Phase Alloys Designed via Severe Lattice Distortion
حل مسأله تبادل و رابطه معکوس بین استحکام و چقرمگی، چالش مهمی در مهندسی و علم مواد پیشرفته محسوب میشود. تحقیقات فراوانی پیگیری شده‌اند تا بالانس بین استحکام و چقرمگی از طریق مکانیزم‌های مختلف و کنترل میکروساختار، ارتقا پیدا کند. در قطعات مهندسی، استحکام تسلیم حداکثر تنشی که یک ماده می‌تواند بدون ایجاد تغییرشکل غیرالاستیک، تحمل کند را محدود می‌کند. برای بهتر کردن استحکام تسلیم، آلیاژهای متداول معمولاً از طریق فرایندهای ترمومکانیکی تولید می‌شوند که باعث ایجاد تراکم بالای نابجایی‌ها میشود. این جمعیت عیوب، میدان‌های تنش بلند-دامنه‌ای را ایجاد می‌کند و باعث افزایش قابل توجه استحکام می‌گردد. در نتیجه، فرایندی که هدفش ایجاد تراکم بالای عیوب شبکه در ماده است، روشی کارآمد برای افزایش استحکام در نظر گرفته میشود. مواد فلزی تک-فازی دارای عیوبی هستند و در شروع تسلیم پلاستیکی، آن‌ها دارای اصطکاک ذاتی شبکه پایین و در نتیجه، تنش تسلیم پایینی هستند. اصطکاک شبکه که توسط تنش پیرلز مشخص میشود، سنجشی از مقاومتی است که یک نابجایی مستقیم و بی نهایت باید بر آن غلبه کند تا از یک شیار به شیار دیگر برود. ارتفاع این سد انرژی با اعوجاج ذاتی شبکه در مقیاس اتمی متناسب است و در نتیجه از نظر ماهیت، تفاوت بسیار زیادی با میدان‌های تنش بلند-دامنه دارد که توسط تراکم عیوب ایجاد میشود.
ترکیب‌های آلیاژی که چندین عنصر اصلی دارند و تحت عنوان آلیاژهای آنتروپی بالا یا آنتروپی متوسط شناخته می‌شوند، مبنای بسیار خوبی برای طراحی آلیاژی فراهم می‌کنند چون هر اتم منفرد با مجموعه‌ای از اتم‌های مجاور متفاوت در ارتباط است و تنش‌ها و اعوجاج‌های شبکه موضعی بسیار شدیدی ایجاد می‌کند. اعوجاج شدید شبکه، یک اثر مهم در طراحی آلیاژهایی است که چندین عنصر اصلی دارند و هدف آن افزایش استحکام است. تا کنون، استحکام تسلیم آلیاژهای آنتروپی بالا و متوسطی که بررسی شده‌اند، فراتر از آلیاژهای متداول نبوده است که به دلیل استفاده ناکافی از اعوجاج شبکه می‌باشد. در مقاله‌ای که در مجله بسیار معتبر Advanced Materials منتشر شده است، از طریق اعوجاج شدید شبکه، استحکام آلیاژ آنتروپی متوسط VCoNi (با درصد یکسان هرکدام از عناصر) به نزدیک 1 گیگاپاسکال رسیده است و چقرمگی خوبی نیز بدست آمده است که بسیار بهتر از آلیاژهای متداول محلول جامد است. نشان داده شده است که نوسان گسترده در فواصل پیوند اتمی در این آلیاژها، یعنی اعوجاج شدید شبکه، استحکام تسلیم و حساسیت آن به اندازه دانه را بهتر می‌کند. علاوه بر آن، پلاسیسیتۀ ایجاد شده توسط نابجایی، از طریق تولید ساختارهای فرعی نانومقیاس نابجایی به دلیل پین شدن گسترده، به صورت موثر رابطه بین استحکام-چقرمگی را بهتر می‌کند.نتایج نشان داده‌اند که اعوجاج شدید شبکه، یک ویژگی مهم در شناسایی مواد بسیار مستحکم برای کاربردهای مهندسی است. این پژوهش فوق العاده به صورت تجربی و نیز تئوری (روش DFT) انجام شده است و از وانادیم در آلیاژ محلول جامد VCoNi دارای اعوجاج استفاده شده است. نتایج DFT نشان دادند که وانادیم نوسان در فواصل پیوند اتمی را به شدت افزایش می‌دهد و در نتیجه موجب بروز اعوجاج شدید شبکه در مقایسه با شبکه ایده‌آل fcc می‌گردد و از این طریق، خواص به مراتب بهتری حاصل شده است.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes-مترس)