Микроструктурная эволюция и механическая характеристика туалета

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 9822 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1924 г.

10 цитат

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Сплавы с высокой энтропией (ВЭА) представляют собой относительно новый класс материалов, которые продемонстрировали потенциал для демонстрации превосходного сочетания механических свойств. Были изучены различные микроструктурные модификации для дальнейшего улучшения их механических свойств для использования в сложных структурных приложениях. Основное внимание в настоящей работе уделяется исследованию влияния добавления различных количеств твердого керамического материала (WC) к прочной матрице HEA (CoCrFeNi) путем дуговой плавки в атмосфере аргона, включая микроструктурные изменения, и оценке добавок WC. по механическим свойствам. Рентгеноструктурный анализ композитов HEA-WC показал наличие как ГЦК-, так и карбидной фаз. Исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа, включая энергодисперсионную спектроскопию, показывают, что хром диффундирует из матрицы и взаимодействует с WC с образованием легированной карбидной фазы. Было обнаружено, что количество легированного карбида увеличивается с увеличением количества добавки WC в матрицу HEA. Механические характеристики показали, что твердость и предел текучести композитов HEA-WC увеличиваются с увеличением количества карбидной фазы в матрице. Установлено, что твердость образца WC HEA-20wt.% в 3,3 раза (593 HV) превышает твердость базового HEA (180 HV), а предел текучести увеличился с 278 МПа для базового HEA до 1098 МПа для композит CoCrFeNi-20 мас.% WC. Исследованные композиты также показали отличные значения пластичности (~ 50% деформации для CoCrFeNi-10 мас.% WC и ~ 20% деформации для CoCrFeNi-20 мас.% WC). Поэтому считается, что армированные керамикой композиты с высокой энтропийной матрицей обладают потенциалом для обеспечения выдающихся сочетаний механических свойств для требовательных структурных применений.

Прочность и ударная вязкость — два ключевых свойства, необходимые конструкционным материалам для безопасной выдержки высоких нагрузок. Однако увеличение прочности во многих материалах неизбежно сопровождается некоторым снижением пластичности с соответствующей потерей ударной вязкости. Например, сообщалось, что измельчение зерна крупнозернистого металлического Ni до наноразмеров приводит к увеличению предела текучести всего с 53 МПа до 1,3 ГПа, но за счет резкого снижения пластичности (до < 5%). 1. Был предпринят ряд различных попыток преодолеть этот компромисс между прочностью и пластичностью. Некоторые известные подходы, которые были опробованы в этом отношении, включают разработку гетерогенных наноструктур2 или иерархических микроструктур3,4, использование нанопреципитационного упрочнения5, закалки6 и сфероидизации7, а также разработку сплавов для стимулирования либо пластичности, вызванной трансформацией (TRIP)8, либо двойникования. индуцированная пластичность (TWIP)9,10. Тем не менее, соотношение прочности и пластичности остается нерешенной проблемой, и все больше кажется, что механические свойства обычных сплавов приближаются к пределу своих возможностей.

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭА) представляют собой относительно новый класс материалов, в основе которых лежит одновременное присутствие четырех, пяти и более элементов в равных количествах11,12. HEA характеризуются наличием четырех характерных эффектов, а именно: конфигурационной энтропии, сильного искажения решетки, медленной диффузии и эффекта коктейля11,13,14. Считается, что эти эффекты ответственны за лучшее сочетание свойств по сравнению с обычными сплавами, включая выдающуюся термическую стабильность, коррозионную стойкость и усталостную прочность, а также сверхпластическое удлинение и лучшие механические свойства даже при криогенных температурах12,15,16,17. 18,19,20,21,22,23,24,25,26. HEA также продемонстрировали потенциал для улучшения сочетания прочности и пластичности. Превосходная пластичность может быть достигнута в ГЦК-ВЭА, хотя и с ограниченной прочностью, тогда как для ОЦК-ВЭА сообщается о высокой прочности, но ограниченной пластичности. как фазы твердого раствора ГЦК, так и ОЦК, где уже были достигнуты некоторые многообещающие результаты27,28,29. Также изучалась разработка HEA, усиленных межузельными твердыми растворами. Сообщалось, что добавление атомов азота30, кислорода31 и углерода32,33 в матрицу HEA повышает прочность, но за счет ограниченной пластичности. HEA, использующие эффект TRIP, также были разработаны в поисках лучшего сочетания механических свойств8,34,35. Сообщалось, что в некоторых случаях трансформация метастабильных фаз под напряжением улучшает способность противостоять разрушению, однако в настоящее время показано, что лишь несколько систем демонстрируют хорошие результаты в этом отношении8,34. Было также показано, что развитие тонкого деформированного слоя и недеформированного ядра, соединенных градиентной иерархической микроструктурой36 в HEA, улучшает пластичность, но лишь с небольшим соответствующим увеличением прочности. Кроме того, с использованием различных стратегий проектирования сплавов также были разработаны эвтектические HEA, состоящие из тонких пластинок твердой и мягкой фаз37,38. Использование таких эвтектических микроструктур в ВЭА показало многообещающие результаты. Однако проектирование и контроль эвтектических микроструктур в ВЭА является чрезвычайно сложной задачей из-за одновременного присутствия нескольких элементов.