CoNiV bazlı alaşımlarda kriyojenik özellikler için çift ölçekli kimyasal sıralama

Çoğu alaşım ve bunların mikro yapıları, oda ve yüksek sıcaklıklarda istenen mekanik performansı sağlamak için son yıllarda geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu alandaki daha az ciddi maliyet kısıtlamalarına rağmen, yüksek mukavemetli ve hasara dayanıklı kriyojenik uygulamalar için daha az malzeme seçeneği mevcuttur.^2,3. Örneğin, çökeltme sertleştirmesi, elastik olmayan deformasyonu korumak için daha yüksek yüklere yol açan dislokasyon hareketini engelleyerek alaşımların mukavemetini arttırmada en başarılı stratejilerden biri olmuştur.^4,5,6,7,8. Bununla birlikte, kriyojenik koşullar altında, çökelti-matris ara yüzeylerinde dislokasyon yığınlarının oluşması ve yüksek gerilim konsantrasyonları nedeniyle bu yaklaşım, süneklik pahasına gelir; her iki özellik de bu bölgelerde hasarın başlatılmasını teşvik eder.^9,10. Tutarlı çökeltilerin oluşumu (örneğin, L1₂ Bazı yüz merkezli kübik (fcc) malzemelerdeki uzun menzilli sıralı (LRO) faz), tutarsız ve yarı tutarlı arayüzlere kıyasla daha düşük arayüzey enerjisi nedeniyle hasar başlatma eğilimini bir dereceye kadar azaltabilir.¹¹. Bununla birlikte, yüksek anti-faz sınır enerjisi ve etraflarında dislokasyon döngülerinin oluşması nedeniyle ortaya çıkan dislokasyon hareketini engellemesi nedeniyle, bu çökeltilerin boyutu uzun süreli yaşlanmadan sonra yeterince büyük hale geldiğinde yoğun bir heterojen stres alanı hala gelişebilir.^9,12,13.

Bu köklü sertleştirme mekanizmalarının ve geleneksel seyreltik alaşımlardan bilinen doğal dezavantajlarının aksine, nano ölçekli kimyasal kısa menzilli sıralı (SRO) özelliklerin mekanik özellikler üzerindeki etkisi daha az anlaşılmıştır.^14,15,16. Bu atomik düzen kümeleri, bazı orta ve yüksek entropili alaşımlarda (MEA'lar ve HEA'lar), kurucu elementler arasındaki yerel entalpik etkileşimler ile bu alaşımların temelini oluşturan, aksi takdirde entropinin hakim olduğu katı çözelti arasındaki ince etkileşimin bir sonucu olarak oluşuyor gibi görünmektedir.¹⁴. Oldukça dağılmış ve eşit şekilde dağılmış SRO bölgeleri, kolay dislokasyon kayması üzerindeki baskılayıcı etkisi ve buna bağlı düşük gerilim ve gerinim heterojenliği ile birlikte^16,17,18kriyojenik sıcaklıklarda ideal bir güçlendirme mekanizması olduğu ortaya çıktı, ancak altta yatan güçlendirme mekanizmaları ve bunların ayarlanabilirliği şu ana kadar anlaşılması zor kaldı.^14,15,16. Bununla birlikte, gerinim sertleştirme kapasitesi (üniform uzama sağlama) üzerindeki etki açısından, SRO alanlarının LRO alanlarından daha az etkili olduğu görülmektedir.^15,19. Kayda değer gerilim artışı ile yetersiz gerinim sertleşmesi arasındaki bu tutarsızlık, bizi çift ölçekli kimyasal düzenleme için rasyonel bir tasarım konsepti geliştirmeye motive ediyor. Bu bağlamda, iki tür nano ölçekli düzenli yapının ve büyük katı çözelti matris tasarımının hassas bir şekilde dengelenmesinin, kriyojenik uygulamalar için yüksek performanslı metalik malzemelerin geliştirilmesinde anahtar bir yaklaşım olabileceğini gösteriyoruz.

Bu nanoyapı tasarım stratejisini, nominal Co bileşimine sahip CoNiV bazlı bir alaşımda gerçekleştiriyoruz.₃₂İçinde₃₂V₃₂Al₂İle ilgili₂ (% olarak), bundan sonra CoNiV-AlTi olarak anılacaktır. Vanadyumun (V) kobalt (Co) ve nikel (Ni) ile entalpik etkileşimleri ve ayrıca atom boyutu ve kayma modülündeki önemli uyumsuzluklar (Ek Tablo) 1), yerel kimyasal kısa menzilli düzenin oluşumunu teşvik etmek^17,20. Sıklıkla eklenen mikro alaşım elementleri arasında alüminyum (Al) ve titanyum (Ti), ana elementlerle en negatif karışım entalpisine sahiptir (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 1), bu da uzun menzilli düzen oluşumu eğilimini güçlü bir şekilde artırır^21,22. Daha sonra, bu iki tip entalpinin hakim olduğu düzenleme durumunu, metaller arası veya daha büyük bir çökelti oluşumu durumuna geçmeden, entropinin hakim olduğu masif katı çözelti matrisi ile birlikte var olmaya getirmek için dikkatli bir termodinamik olarak yönlendirilmiş katı çözelti ve yaşlanma işlemi gerekir (Ek Şekil 1). 1). Bu şekilde işlenmiş alaşım, yeniden kristalize edilmiş ve kimyasal olarak homojen bir fcc matrisine sahiptir (Şekil 1). 1a ve Ek Şekil. 2) yüksek sayı yoğunluğuna sahip (yaklaşık 4,5 × 10²⁵M⁻³) nano ölçekli L1'in₂ Karanlık alan transmisyon elektron mikroskobu (DF-TEM) görüntüsünde gösterildiği gibi uzun menzilli sıralı (NLRO) alanlar (Şekil 1). 1b). NLRO alanlarının ortalama boyutu 1,6 ± 0,7 nm'dir; bu, L1'den en az yarım kat daha küçüktür.₂Bazı MEA'larda ve HEA'larda veya yüksek dayanımlı çeliklerde sıklıkla görülen yapısal çökeltiler (normalde 5 nm'nin üzerinde)^22,23,24. Nano ölçekli L1'in fraksiyonu₂ alanları, nötron kırınım deneyleri ve Rietveld iyileştirme analizinden belirlendiği üzere hacimce %13,7'yi kaplar (Şekil 1). 1c). Atom prob tomografisi (APT) analizi, bu alanda Ti ve Ni'nin zenginleştiğini ortaya koymaktadır (Şekil 1). 1d). Termodinamik hesaplamaya dayanarak (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 1), bu NLRO alanları, sıkı paketlenmiş Ni'nin erken aşama öncü durumlarıdır.₃(Ti, Al)-tipi L1₂ tipik olarak spinodal ayrışma ile oluşan çökeltiler. NLRO alanının belirlenen ortalama Ti içeriği (%6,2 at%) termodinamik hesaplamalarla tahmin edilenden daha düşüktür (%15,7, TCHEA4 veritabanına ve Thermo-Calc yazılımına göre), bizim durumumuzda uygulanan sınırlı yaşlanma süresi nedeniyle, yani tam denge çökelme durumuna geçiş olmadan atomik ölçekte sıralamaya ulaşmak için amaca göre denge bölümleme elde edilememiştir. NLRO alanları ile matris arasındaki bu kadar kısıtlı bileşimsel kontrast, nötron kırınımıyla ortaya çıktığı gibi, iki faz arasında %0,04'lük ultra düşük kafes uyumsuzluğu sağlar.

Figür 1e alaşımın temsili atomik çözünürlükte yüksek açılı halka şeklinde karanlık alan taramalı transmisyon elektron mikroskobu (HAADF-STEM) görüntüsünü gösterir. bölge ekseni, Şekil 2'de gösterilen karşılık gelen hızlı Fourier dönüşümü (FFT) modeliyle birlikte. 1f. FFT görüntüsündeki L1'in varlığını temsil eden keskin biçimde yoğunlaşmış noktalara ek olarak₂ yapısı (Şekil 2'de sarı dairelerle işaretlenmiştir). 1f), aynı zamanda karşılık gelen konumlarda bulunan parlak dağınık yansımaları da gözlemliyoruz. (1/2{bar{3}11}) (Şekil 2'de mavi oklarla gösterilmiştir). 1f). Bu tür dağınık yansımalar, makine öğrenimiyle geliştirilmiş APT (ML-APT) analiziyle birleştirildi (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 2), L1'in varlığını temsil eder₁-yapıSRO, temel olarak farklı eleman çiftlerine (V-Co veya V-Ni çiftleri gibi) yönelik en yakın komşu tercihinden kaynaklanır.¹⁷). L1'den dönüştürülen ters FFT (IFFT) görüntüleri₂ ve SRO yansımaları bu iki sınıf düzenli yapının boyutunu ve dağılımını sağlar (Şekil 1). 1g,saat), aslında bir fcc tanesinin bir yerel bölgesinde her iki tür nano ölçekli düzenleme yapısı özelliğinin bir arada varlığını ortaya koyuyor. NLRO ile karşılaştırıldığında, SRO alanlarının boyutu çok daha küçüktür, yani yaklaşık 0,6 ± 0,2 nm'dir (Şekil 1). 1i), böylece atomik ölçekte boyutlar varsayılır ve daha yoğun bir şekilde dağıtılır (sayı yoğunluğu yaklaşık 2,4 x 10²⁶M⁻³). Bu düzenleme alanlarının yüksek yoğunluğunun varlığı, dislokasyon ortalama serbest yolunu etkili bir şekilde azaltır, dolayısıyla dislokasyon kayması için kritik çözülmüş kayma gerilimini arttırır (Ek Not)1). Bu, karmaşık alaşımların rasyonel termodinamik nanoyapı tasarımının sınırlarını atomik ölçekli bölgelere iter.

Çift ölçekli yerel kimyasal sıralamanın getirilmesi ve bunların dikkatli boyut kontrolü, Şekil 2'de gösterildiği gibi kriyojenik sıcaklıkta (87 K) CoNiV-AlTi alaşımımızda olağanüstü bir mukavemet (yaklaşık 1,2 GPa akma mukavemeti, yaklaşık 1,8 GPa nihai çekme mukavemeti) ve süneklik (yaklaşık %42,6 kırılma gerilimi) ile sonuçlanır. 2a. Figür 2b aynı akma mukavemeti seviyesinde, alaşımımızın mukavemet ve süneklik ürününün, çeşitli HEA'lar ve MEA'lar ve daha geleneksel Ti bazlı, Ni bazlı, Fe bazlı ve Al bazlı alaşımlar dahil olmak üzere kriyojenik uygulamalarda halihazırda kullanılmış veya kullanılma potansiyeli olan diğer metalik malzemelerin karşılık gelen referans değerlerini (yaklaşık %60 oranında) aştığını ortaya koymaktadır. Oldukça yüksek kırılma dayanıklılığı (338,4 MPa·m)^0,5) ayrıca çift ölçekli sıralama stratejimizi kullanarak 87 K'de elde edilir (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 3).

SRO ve NLRO alanlarının kriyojenik mekanik özellikler üzerindeki ilgili katkısını araştırmak için alaşımımızı (1) katı çözeltiyle işlenmiş bir eşmolar CoNiV baz alaşımı (bundan sonra CoNiV(SS) olarak anılacaktır), (2) benzer şekilde katı çözeltiyle işlenmiş bir CoNiV-AlTi örneği (bundan sonra CoNiV-AlTi(SS) olarak anılacaktır) ve (3) katı çözeltiyle işlenmiş ve yaşlandırılmış CoNiV örneği (bundan sonra CoNiV(SSA) olarak anılacaktır). Entropi güdümlü konfigürasyonel karışımın entalpi güdümlü sıralama etkilerini aştığı, doğrudan yüksek sıcaklıktan (1.100 °C) söndürülen ilk iki malzeme türü¹⁴düşük bir SRO alanı oluşumu olasılığı içerir (Genişletilmiş Veri Şekil 2'deki TEM sonuçlarına bakın). 4). Katı çözeltideki Al ve Ti'nin (her element için yaklaşık %2), kriyojenik sıcaklık yükleme koşulları altında akma mukavemetini yalnızca çok az miktarda (27 MPa kadar) arttırdığını not ettik (Şekil 1). 2a), ancak malzemelerin istifleme hatası enerjisini (SFE) veya elastik özelliklerini önemli ölçüde değiştirmez (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 5 ve Ek Tablo 2). Dolayısıyla hem CoNiV(SS) hem de CoNiV-AlTi(SS) numuneleri, karşılaştırma için sipariş gerektirmeyen temel malzemeler olarak kabul edilir. 750 °C'de yaşlandırılmış CoNiV(SSA) numunesi, yalnızca alaşımımızdakiyle benzer alan boyutuna ve hacim oranına sahip SRO alanlarını içerir (Şekil 1). 2c). Ek Şekil 2'de gösterildiği gibi daha fazla termodinamik değerlendirme ve ML-APT analizi. 3 ve Genişletilmiş Veri Şek. 6ayrıca her iki L1 ile de SRO alanlarının oluşma olasılığını doğrulayın₁ ve L1₂ CoNiV(SSA) örneğindeki atomik konfigürasyonlar.

CoNiV(SS) ve CoNiV(SSA) numuneleri arasındaki karşılaştırma, SRO varlığının kriyojenik akma mukavemetini belirgin şekilde arttırdığını (yaklaşık 140 MPa kadar) ancak alaşımın gerinim sertleşmesi kabiliyetini etkilemediğini ortaya koymaktadır (Şekil 1). 2e). Akma mukavemetindeki böyle bir artış, dislokasyonlar bu tür SRO bölgelerinden geçtiğinde yaygın anti-faz sınırlarının yaratılmasıyla ilişkili ek enerji bariyerine atfedilir.^16,25. NLRO alanları da malzemeye eklendiğinde (yani CoNiV-AlTi örneğimiz), akma mukavemetinde NLRO'nun neden olduğu artış yaklaşık 167 MPa'dır ve SRO alanlarındakine benzer bir güçlendirme mekanizması vardır.^18,26. Ayrıca, kriyojenik sıcaklıkta sürekli süneklik için anahtar bir faktör olan NLRO alanlarının varlığı nedeniyle gerinim sertleşme hızı aynı anda (yaklaşık 1.000 MPa kadar) yükseltilir. (Alt)nano ölçekli sıralama yapısının uygulanması, kriyojenik sıcaklığa maruz kalma durumunda önemli bir süneklik kaybına yol açmaz; bu, daha büyük düzenli L1 oluşturmak için uzun süre (24 saat) yaşlandırılan bir numunenin tam tersidir.₂ Ortalama boyutu yaklaşık 25 nm olan çökeltiler (Şekil 1). 2 gün). İkinci örnek için artan kafes uyumsuzluğu (%0,15; Genişletilmiş Veri Şekil 1) 7) L1 arasında₂ çökeltiler ve daha büyük çökelti boyutundan ve daha yüksek bileşimsel kontrast derecesinden kaynaklanan matris, arayüzey enerjisinde bir artışa yol açar²⁷ çökelti-matris arayüzlerindeki stres konsantrasyonlarında olduğu gibi^9,12,13. Bu faktörler, özellikle kriyojenik sıcaklıklarda erken çatlak çekirdeklenmesini teşvik eder (Ek Şekil 1). 4), bu da bu numunenin sünekliğinin önemli ölçüde azalmasına neden olur (sadece yaklaşık %22; Şekil 1). 2a).

Daha sonra, CoNiV-AlTi alaşımımızda kriyojenik gerinim sertleştirme mekanizmalarını ve NLRO alanlarının ilişkili etkilerini çözüyoruz. Bu amaçla numuneyi farklı gerinim seviyelerinde deforme edip alt yapıyı TEM ile inceliyoruz. {111} düzlemleri boyunca çok sayıda istiflenme faylarından (SF'ler) oluşan düzlemsel kaymalı alt yapılar, %6'lık küçük bir deformasyonda gözlenmektedir (Şekil 1). 3a). Sık sık güçlü L1 gözlemliyoruz₂ İki SF arasındaki bölgelerdeki kırınım sinyalleri (Şekil 2'deki tipik bir mikrografa bakın). 3b). IFFT analizi (Şekil 2'de ek olarak verilmiştir). 3bBu tür yansıma sinyallerinden dönüştürülen NLRO alanlarının varlığı, bu bölgelerde nispeten büyük, yapısal olarak sağlam (yani dislokasyon kaymasıyla tahrip edilmemiş) NLRO alanlarının varlığını ortaya çıkarır. Şekil 2'de gösterilen bölge için elastik gerinim alanlarını daha da analiz ediyoruz. 3biki ardışık SF ve arada büyük bir NLRO alanı içerir. Özellikle, SF'nin NLRO alanıyla etkileşime girdiği SF'nin sonunda yüksek bir elastik gerinim konsantrasyonu gözlemlenir (Şekil 1'de kesikli kırmızı bir daire ile işaretlenmiştir). 3c,d). Farklı tanelerin diğer bölgelerinde de benzer olaylar gözlemlenmiştir, ancak bu tür elastik gerinim konsantrasyonu, aynı gerinim seviyesine deforme olmuş düzenli CoNiV(SS) numunesinde gözlenmez (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 8). Dolayısıyla bu özellik, NLRO'nun kısmi dislokasyonların hareketi üzerinde bloke edici bir etkisi olduğunu kuvvetle önerir.

Daha fazla deformasyonla (örneğin %15 gerinimde), kayma bantları arasında önemli miktarda düzlemsel olmayan dislokasyon kayması gözlemlenir (Şekil 1). 3e). Bu, yükleme yönüne göre benzer oryantasyona sahip tanelerin deformasyon mikroyapısını karşılaştırırken sıralamasız CoNiV(SS) numunesinde veya CoNiV-AlTi(SS) numunesinde gözlemlenmeyen benzersiz bir özelliktir (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 9). Bu düzlemsel olmayan dislokasyonlar tipik olarak SF'lerin NLRO alanlarıyla karşılaştığı ve ilerideki hareketleri için yüksek dirençle karşılaştığı noktalarda yayılır (Şekil 1'de gösterildiği gibi). 3g,saat). Önde gelen parçaların NLRO tarafından sabitlenmesi, kısmi dislokasyon rekombinasyonu, çift çapraz kayma ve Frank-Read kaynakları için başlangıç ​​noktaları olarak hizmet edebilir ve Şekil 2'de gösterildiği gibi yeni dislokasyon döngülerinin çekirdeklenmesiyle sonuçlanır. 3f. Bu düzlemsel olmayan dislokasyonların aktif kayması, bu gerilme seviyesinde vida dislokasyonlarının çapraz kaymasının meydana geldiğini gösterir (Ek Şekil 2'de daha ayrıntılı dislokasyon analizine bakınız). 7 Ve 8). Bu bulgu, referans sıralaması olmayan CoNiV(SS) ve CoNiV-AlTi(SS) numunelerinin yanı sıra aynı gerinim seviyesinde SRO alanı içeren CoNiV(SSA) numunesi ile karşılaştırıldığında bu alaşımda daha yüksek vida dislokasyon fraksiyonunun varlığıyla da desteklenir (daha yüksek dislokasyon karakter parametresi ile ortaya çıkar) Q: CoNiV-AlTi örneği için diğer üç örnekten 1,9, nötron kırınım verilerine dayanarak belirlendi; Ek Şekillere bakınız. 9 Ve 10). Bu etki, aksi takdirde deformasyon lokalizasyonu nedeniyle birikecek olan yerel stres konsantrasyonlarını serbest bırakır.^28,29,30. Bu dislokasyonların daha fazla kayması, sonuçta onların karşılıklı etkileşimlerini ve mevcut kayma bantları ile etkileşimi tetikleyecek, bu da dislokasyon bantları arasında yüksek yoğunluklu dislokasyon ağları ile sonuçlanacaktır (Şekil 1'de gösterilen %30 gerinimde mikro yapıda gösterildiği gibi). 3i,j). NLRO alanlarının dislokasyon gelişimi ve modelleme üzerindeki etkisi Genişletilmiş Veri Şekil 2'de şematik olarak gösterilmektedir. 10 gün.

Araştırılan malzemelerin dislokasyon yoğunluğunun deformasyona dayalı gelişimi, Şekil 2'de gösterilmektedir. 3 bin. NLRO içeren CoNiV-AlTi numunesi, SRO'lu ve SRO'suz referans numunelerle karşılaştırıldığında daha yüksek oranda dislokasyon çoğalması gösterir. NLRO'nun kısmi dislokasyon kayması üzerindeki bloke edici etkisi ve dolayısıyla yeni dislokasyon oluşumu ve müteakip dislokasyon etkileşimleri gerekliliği nedeniyle dislokasyon çoğalmasının daha hızlı olması, kriyojenik sıcaklıkta daha yüksek gerinim sertleşme hızına önemli bir katkı sağlar (Şekil 1). 2a). Taylor sertleşme kanununa göre^31,32Gerilme sertleşmesinden kaynaklanan gerilim artışı şu şekilde ifade edilebilir: ({sigma _{{rm{f}}{rm{l}}{rm{o}}{rm{w}}}-{sigma _{{rm{Y}}{rm{S}}}={a_{0}MGbsqrt{{rho _{text{d}}})Neresi P_akış Ve P_evet sırasıyla belirli bir plastik şekil değiştirmedeki akış gerilimi ve akma dayanımıdır, R_D dislokasyon yoğunluğudur (yeniden kristalize edilmiş numunelerin başlangıç ​​dislokasyon yoğunluğu ihmal edilebilir) ve A₀(boyutsuz sabit),G (kayma modülü), M (Taylor faktörü) ve B (Burgers vektörünün büyüklüğü), çekme deformasyonu sırasında fazla değişmeyen sabitler olarak kabul edilir.^33,34. Ölçülen dislokasyon yoğunluğuna dayanarak (Şekil 1). 3 binNLRO alanı içeren CoNiV-AlTi numunesi için deformasyonun neden olduğu stres artışının, %30'luk aynı küresel suşta, sipariş içermeyen CoNiV(SS) numunesinden 1,29 kat daha yüksek olduğu tahmin edilmektedir. Bu değer, doğrudan çekme testlerinden elde edilen sonuca çok yakındır (yaklaşık 1.26); bu, NLRO alanından etkilenen dislokasyon çoğalmasının, çalışılan malzemelerin gerinim sertleşmesi üzerindeki baskın rolünü doğrular.

Malzemelerin gerinim sertleşmesinde küçük ölçekli yerel düzenlemenin teşvik edici rolü hakkındaki geleneksel görüş, sıralı fazların kayma dislokasyonları tarafından kesilmesine dayanmaktadır.^13,35,36. Düzenli yapının ilgili yerel tahribatı, eklenen yüksek enerjili anti-faz sınırlarının enerjik olarak uygun şekilde ortadan kaldırılmasıyla yönlendirilen bir kayma düzlemi yumuşatma etkisi üretir.³⁶. Böyle bir etki, dislokasyonun aynı kayma düzlemleri üzerinde kaymasını kolaylaştırarak dislokasyon düzlemsel kaymasını teşvik eder^16,36. Her ne kadar böyle bir dislokasyon kayma fenomenini ve bunun sonucunda daha yüksek gerinimlerde kayma yolları boyunca NLRO alanlarının yok edilmesini gözlemlesek de (örneğin, %30; Genişletilmiş Veri Şekil 1). 10a-c), aşağıdaki iki faktörden dolayı bu mekanizmanın alaşımın gerinim sertleşmesi oranı üzerinde yalnızca orta düzeyde bir etkiye yol açtığına inanıyoruz. Birincisi, kriyojenik sıcaklıklarda SFE'nin azalması nedeniyle^5,37Düzlemsel dislokasyon kayması, yerel sıralamanın varlığına bakılmaksızın CoNiV bazlı alaşımlar için zaten yaygın olan deformasyon modudur (Genişletilmiş Veri Şekil 1). 9). İkincisi, SRO alanlarının varlığının SFE ve dislokasyon kayma düzlemselliği üzerinde bir etkiye sahip olması beklenmektedir.¹⁶ancak tek başına CoNiV (SSA) numunesinin kriyojenik sıcaklıkta gerinim sertleşme oranında kayda değer bir artış sağlamaz (Şekil 1). 2aCoNiV(SS) ve CoNiV(SSA) numuneleri arasındaki karşılaştırma). Ek olarak, son derece küçük boyutu nedeniyle (1 nm'nin altında), SRO, çekirdeklenip kaymaya başladıktan sonra yalnızca birkaç çift dislokasyon tarafından kolayca yok edilebilir.¹⁸. Bu nedenle, SRO alanlarının incelenen alaşımlarda plastik deformasyon sırasında dislokasyon modelini önemli ölçüde etkilemesi beklenmemektedir. Bu, SRO alanı içeren CoNiV (SSA) numunesi ile aynı gerinim seviyesinde sipariş içermeyen CoNiV (SS) numunesi arasında gözlemlenen genel dislokasyon yoğunluğunun benzer gelişimini açıklar (Şekil 1). 3 bin). Tek başına bir sertleştirme mekanizması olarak SRO alanlarının bu eksikliği, NLRO aşamalarının ek olarak eklenmesiyle telafi edilebilir. İkinci mekanizma aynı zamanda dislokasyon modelinin ve popülasyonunun değiştirilmesine de izin verir, ancak büyük ölçüde heterojen stres alanları üretmez.

Böyle bir mikroyapısal yaklaşımın etkinliğinin sıcaklığa bağımlılığını ayrıca değerlendiriyoruz. Mekanik testler, CoNiV(SS) ve CoNiV(SSA) referans örnekleriyle karşılaştırıldığında, SRO ve NLRO alanlarının kombinasyonunun, alaşımların ortam sıcaklığına kadar olan sıcaklıklarda akma mukavemetini artırabildiğini göstermektedir (Şekil 1). 4a). Bununla birlikte, gerinim sertleşmesi kapasitesi üzerindeki etkiler, daha yüksek test sıcaklıklarıyla birlikte yavaş yavaş ortadan kalkar (Şekil 1). 4b), tutarlı nanoçökeltiler içeren bazı alaşımlara benzer^38,39NLRO alanları ve dislokasyonlar arasında daha zayıf bir etkileşimi gösterir. Kriyojenik sıcaklıkta gözlemlenen deformasyon altyapısının aksine, CoNiV-AlTi alaşımının oda sıcaklığında deformasyon modu sınırlı bir düzlemsel dislokasyon kayma davranışı gösterir ve bunun yerine, artan SFE nedeniyle bu sıcaklıkta dalgalı dislokasyon kayması yaygındır (Şekil 1'de gösterildiği gibi). 4c). Artan sıcaklıklarda dislokasyonların çapraz kayma eğilimi daha yüksek^40,41yanı sıra sıcaklığa bağlı anti-faz sınır enerjisi⁴²NLRO engelleriyle etkileşimlerini azaltır; bu, NLRO alanlarının varlığının, yüksek sıcaklıklarda dislokasyon çoğalması ve desenlenmesi üzerinde çok az etkiye sahip olduğu anlamına gelir. Bu, SRO + NLRO alanı içeren CoNiV-AlTi numunesi ile oda sıcaklığında aynı gerinim seviyesine deforme olmuş siparişsiz CoNiV (SS) numunesi arasındaki dislokasyon yoğunluğunun neredeyse değişmeyen evrimi ile güçlü bir şekilde desteklenir (Şekil 1). 4 gün). Bu analiz, sıralama ve mikroyapı tasarımı yaklaşımımızdan yararlanabilecek malzeme sistemlerinin ve çalışma senaryolarının seçimi için temel bir kılavuz sağlayan, test sıcaklığına, SFE'ye ve ilgili dislokasyon kayma modlarına sipariş kaynaklı gerinim sertleşmesi geliştirmesinin güçlü bir bağımlılığını ortaya koymaktadır.

Sonuç olarak, burada çift ölçekli kısa ila uzun menzilli bir kimyasal sıralama stratejisinin, kriyojenik sıcaklıklarda metalik alaşımların mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirebileceğini gösterdik. İki tip düzenli yapı, dislokasyonların ortalama serbest yolunu sınırlar ve böyle bir sıralama hiyerarşisi bulunmayan referans numunelerin aksine, kriyojenik sıcaklıklarda hem daha yüksek bir sürtünme gerilimi (ödünç verme mukavemeti) hem de daha hızlı bir dislokasyon çoğalma oranı (gerinim-sertleşme kabiliyetini artırarak) sağlar. Bu (alt)nano ölçekli mikro yapı stratejisi, hasarın başlamasına yol açabilecek yerel stres zirveleri yaratan, yaygın olarak benimsenen çökelme sertleştirme yaklaşımından farklıdır. Ayrıca, NiCrFe bazlı ve CoCrNi bazlı MEA'larda (Ek Şekil 2'de gösterildiği gibi) kriyojenik mukavemet-süneklik sinerjisinin iyileştirilmesinde çift ölçekli kimyasal sıralama yaklaşımının etkinliğini de doğruladık. 11 Ve 12), konseptimizin genelliğini gösteriyor. Dolayısıyla çalışmamız, alaşımların zorlu kriyojenik ortamlara dayanabilmesini sağlayacak etkili araçlardan şimdiye kadar yoksun olan mikroyapı tasarımı araç kutusunu genişletiyor.