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May 18, 2024

Maclage à haute contrainte dans un acier de composition complexe présentant une énergie de défaut d'empilement très élevée

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3598 (2022) Citer cet article 7188 Accès 25 Citations 3 Détails de Altmetric Metrics Le jumelage par déformation est rarement trouvé dans les cubes volumineux à faces centrées

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3598 (2022) Citer cet article

7188 Accès

25 citations

3 Altmétrique

Détails des métriques

Le maclage par déformation est rarement trouvé dans les alliages cubiques à faces centrées (FCC) avec une énergie de défaut d'empilement (SFE) très élevée dans des conditions de chargement standard. Ici, sur la base des résultats d'expériences de traction quasi-statique en vrac, nous rapportons un jumelage par déformation dans un acier à composition complexe (CCS) de granulométrie micrométrique avec un SFE très élevé d'environ 79 mJ/m2, bien au-dessus du régime SFE pour le jumelage (< ~50 mJ/m2) rapporté pour les aciers FCC. La double nanoprécipitation, rendue possible par les degrés de liberté de composition, contribue à une contrainte de traction réelle ultra élevée pouvant atteindre 1,9 GPa dans notre CCS. L'effet de renforcement augmente la contrainte d'écoulement pour atteindre la valeur critique élevée pour le début du jumelage mécanique. La formation de nanotwins permet à son tour des mécanismes d’écrouissage et de durcissement supplémentaires qui améliorent les performances mécaniques. L'effet de jumelage à haute contrainte introduit un mécanisme de renforcement et de trempe jusqu'à présent inexploité, permettant la conception d'alliages à haute teneur en SFE avec des propriétés mécaniques améliorées.

Les mécanismes de déformation plastique qui régissent les performances mécaniques des matériaux métalliques cristallins comprennent les dislocations, le jumelage, les défauts d'empilement et les transformations de phase displacives1. Alors que le mouvement des premiers défauts, c'est-à-dire des dislocations, maintient la cohérence du réseau, les trois derniers mécanismes créent des ruptures de symétrie, se manifestant par des changements dans la séquence d'empilement des plans atomiques densément compactés. Ce défaut cristallin est appelé défaut d’empilement et la pénalité énergétique qui lui est associée est appelée énergie de défaut d’empilement (SFE)2. Cinématiquement, les macles, les défauts d'empilement et les transformations de phase displacielles sont portées par des dislocations partielles3. Celles-ci ont une énergie propre plus faible que les dislocations complètes du réseau, mais lorsqu'elles sont activées, les dislocations partielles déplacent localement le réseau dans la mauvaise configuration, créant ainsi le défaut d'empilement. Pour cette raison, les macles, les défauts d'empilement et les transformations de phase displacitives, qui peuvent conférer aux métaux d'excellentes caractéristiques d'écrouissage, sont généralement absents dans les matériaux en vrac avec des SFE relativement élevés, tels que l'Al pur (166 mJ/m2) et le Ni (125 mJ/m2). m2)2,4,5, dans lequel le glissement de dislocation concurrent est énergétiquement moins coûteux4,6. Ainsi, à l'exception de certains cas extrêmes7,8,9,10,11,12, tels que la déformation de films d'Al nanocristallins sous microindentation7 ou d'Al en vrac exposé à des vitesses de déformation élevées11, le comportement de déformation des matériaux à haut SFE est régi par des dislocations. En conséquence, les alliages massifs à SFE élevé n'ont pas jusqu'à présent libéré les excellentes réserves d'écrouissage fournies par les macles mécaniques et les défauts d'empilement.

Selon des études antérieures menées au cours des dernières décennies, aucun maclage par déformation n'a également été trouvé dans les aciers Fe-Mn-Al-C chargés en traction avec un SFE élevé (la limite supérieure du maclage est d'environ 50 mJ/m2), une classe de matériaux prometteuse pour applications d'ingénierie très exigeantes en raison de leur faible densité de masse, de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leurs faibles coûts13. La déformation des aciers légers Fe – Mn – Al – C est initialement dominée par un glissement planaire de dislocations, qui évolue ensuite vers des bandes de glissement constituées de hautes densités de dislocations au fur et à mesure de la déformation14. Des régimes de résistance-ductilité plus élevés restent cependant inaccessibles pour ces alliages car les mécanismes d'écrouissage disponibles restent confinés aux dislocations et à leurs interactions avec les joints de grains et les précipités15,16,17. L'effet de plasticité induite par le jumelage (TWIP), en tant que mécanisme d'écrouissage et de durcissement très efficace permettant des propriétés mécaniques attrayantes 18,19, est resté inaccessible pour ces matériaux, en raison de leurs SFE élevés.

Nous rapportons ici le jumelage par déformation et l'effet de renforcement élevé associé dans un acier léger à composition complexe (CCS) avec un SFE d'environ 79 mJ/m2. Comme indiqué ci-dessus, on s'attendrait généralement à ce que le jumelage par déformation soit impossible dans des matériaux en vrac avec un SFE aussi élevé dans des conditions de charge de traction quasi statiques. Les CCS sont une classe de matériaux développés en appliquant le concept d’alliages à haute entropie (HEA) à la refonte des aciers légers conventionnels Fe – Mn – Al – C20. Les degrés de liberté de composition introduits par le concept de haute entropie permettent de déplacer la composition globale du matériau vers des régimes où la formation d'un mélange unique de double nanoprécipitation de \({{{{{\rm{\kappa }}}}}} Les phases \)-carbures (Cubique ordonné à faces centrées, FCC) et B2 (Cubique ordonné à corps centré, BCC) deviennent possibles, produisant la haute résistance requise pour activer les jumeaux mécaniques.