Новый класс материалов – высокоэнтропийные сплавы и покрытия Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В равновесии после разгрузки М. + М+ = 0, и интегрирование дает для отношения % = = 5 *у кубиче-

/ г\ / 51

ское уравнение %3 - 3% + 2(1 - в) = 0 .

м+ М.

V X \ \ \

м. м+

Рис. 2. Схема изгибающего момента (М.) и момента остаточных деформаций (М+)

У канонического уравнения Тарталья-Кардано ^3 + рс; + д = 0 три корня. В тригонометрическом виде и в современных обозначениях корни имеют следующий

к 1~р а к I р (а ± 2п

вид: ^ = 2 J--• со^-3 ; £,2:3 = 2 J-3• cos| ——

где cos а = —

q

В нашем случае p = -3, а

2 •! -

3

поскольку 0 < в < 1, то 0 < q < 2. Тогда в области 0 < £, < 1

решение единственное: ^ = 2

1

п + arccosl q

I.2

3

(

п +arccos 1 -

. Отсюда

, H

предел текучести: oS = E • | — I • cos

Строго говоря, Я и р - это радиусы нейтральной оси, тогда как радиус оправки Я* = Я - Н/2, а после разгрузки измерен радиус р* = р ± Н/2 - наружной или внутренней поверхности образца. Однако в случае ис-

н

следуемых образцов фольги все —< 0,01, и этим

Я

уточнением пренебрегали.

Предел текучести алюминиевой фольги при чистом изгибе для образцов толщиной 12 мкм составил (24,8 ± ± 3,2) МПа, для образцов толщиной 50 мкм - (33,7 ± 3,4) МПа.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Krylov V.D. BENDING YIELD POINT EVALUATION A method for determining pure bending yield strength on aluminum foil samples is proposed and developed.

Key words: bending yield strength; aluminum foil; residual deformation; mechanical test.

3

УДК 620.178.152:669.265.295

НОВЫЙ КЛАСС МАТЕРИАЛОВ - ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ

© С.А. Фирстов, В.Ф. Горбань, Н.А. Крапивка, Э.П. Печковский

Ключевые слова: энтропия; эквиатомность; фазовый состав; твердость; модуль упругости; параметр решетки; упрочнение.

На литых многокомпонентных высокоэнтропийных сплавах и покрытиях из них изучено влияние состава, фазовых составляющих и структуры на механические свойства в интервале температур 20-1400 °С.

Металлические многокомпонентные высокоэнтропийные сплавы представляют собой новый класс материалов [1-3]. Высокая энтропия смешения элементов в сплаве рассматривается как мера вероятности сохранения их системы в данном состоянии. Это обеспечивает повышенную термическую стабильность фазового состава и структурного состояния, а следовательно, свойств сплава - механических, физических, химических. Таким образом, в высокоэнтропийных сплавах, с одной стороны, появляется возможность образования и сохранения многоэлементного твердого раствора замещения как непосредственно после кристаллизации высокоэнтропийного сплава, так и при последующей термомеханической обработке, а с другой - в твердом

состоянии сплав приобретет уникальные сочетания физико-механических характеристик.

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭСы) обычно включают 5-10 элементов = 13-19 Дж/моль-К), которые в шихтовом составе находятся, как правило, в эк-виатомном соотношении. Их главные отличительные особенности состоят в следующем.

Наличие разнородных атомов элементов с разными электронным строением, размерами и термодинамическими свойствами в кристаллической решетке твердого раствора замещения приводит к ее существенному искажению. Это способствует значительному твердорастворному упрочнению и термодинамической стабильности свойств.

1938

Исследование фазового состава большого набора сплавов позволило установить взаимосвязь расчетной электронной концентрации высокоэнтропийных сплавов с типом кристаллической решетки образующихся твердых растворов. На рис. 1 представлены результаты исследований. Для высокоэнтропийных сплавов, как и для твердых растворов, на основе базового элемента прослеживается та же закономерность. При электронной концентрации в высокоэнтропийных сплавах до 4 эл/ат формируется твердый раствор на базе ГПУ решетки. При электронной концентрации 4,25-7,2 эл/ат образуется только твердый раствор на базе ОЦК решетки или несколько твердых растворов на основе ОЦК решетки. В переходной зоне от 7,3 до 8,3 эл/ат наблюдается формирование двухфазных твердых растворов на основе ОЦК и ГЦК решеток в различной пропорции. И лишь при электронной концентрации выше 8,4 эл/ат формируется твердый раствор на основе ГЦК решетки.

Исследование физико-механических характеристик высокоэнтропийных сплавов показало, что в большинстве случаев при электронной концентрации в области 5,4-7,0 эл/ат такие сплавы обладают пониженной пластичностью при комнатных температурах, однако для всех высокоэнтропийных сплавов отмечаются высокие характеристики жаропрочности (рис. 2).

Из представленных данных видно, что высокоэнтропийные сплавы на основе ОЦК твердого раствора более жаропрочны по сравнению с высокоэнтропийным сплавом на основе ГЦК твердого раствора. Как показали испытания на сжатие, высокоэнтропийный сплав на основе ОЦК твердого раствора обладал прочностью на уровне 450 МПа при температуре 1300 °С.

Характерной чертой для эквиатомных высокоэнтропийных сплавов является достаточно близкое совпадение расчетных усредненных данных по модулю, параметру решетки, удельному весу и КТР. Высокоэнтропийный сплав приобретает усредненные значения большинства физических характеристик за исключением прочностных свойств. Для характеристик твердости и предела текучести наблюдаются существенно более высокие значения, что связано с аномально высоким атермическим твердорастворным упрочнением [4, 5].

Исследования показали, что дополнительная добавка в высокоэнтропийный сплав количества атомов какого-либо базового элемента будет оказывать влияние на параметр решетки и соответственно на такие характеристики, как модуль упругости и твердость. В табл. 1 представлены результаты дополнительного легирования эквиатомного сплава УЫЪТаСгМоШ с ОЦК решеткой различными базовыми элементами на характеристики контактного модуля упругости (Ег) и твердости (Н).

Пластичные

сплавы

ГПУ

Хрупкие

сплавы

ОЦК

Пластичные

сплавы

ОЦК+

ГЦК

«5 в в

ГЦК

Удельная электронная плотность, эл/ат.

Рис. 1. Зависимость образования твердых растворов в высокоэнтропийных сплавах от расчетной электронной концентрации

]\ЪСгМоУТа,

ОЦК

веееееевв в _

А1-Ті-У-Сг-]\Ь-Мо ОЦК ‘^А-А-А

'А'А^а -V. А

ГЦК

Ее-Со-М-Сг-У

Температура испытаний, оС

Рис. 2. Характеристики твердости для высокоэнтропийных сплавов с ОЦК и ГЦК решеткой в зависимости от температуры испытаний. Нагрузка на индентор - 1 кг

Таблица 1

Соотношение расчетной величины усредненного атомного радиуса с контактным модулем упругости и твердостью в высокоэнтропийных сплавах

Состав Расчетный атомный радиус, нм Е, ■‘-‘П ГПа Н, ГПа

У№>2ТаСгМоШ 0,1370 111 6,1

УЫЪТаСгМо^ 0,1360 126 7,2

УЫЪТаСгМоШ 0,1361 127 7,2

№>СгМоУ2ТаШ 0,1358 131 8,4

№>Сг2МоУ2ТаШ 0,1344 134 9

У№>ТаСг2МоШ 0,1341 155 10,5

ЫЪСгзМоУТаШ 0,1331 167 13

Представленные данные наглядно демонстрируют, что снижение расчетного атомного радиуса сопровождается увеличением контактного модуля упругости и твердости независимо от модуля упругости атомов вводимого дополнительно элемента. Так, введение дополнительно молибдена, у которого атомный радиус совпадает с расчетным атомным радиусом базового сплава, не повлиял на характеристики модуля упругости и твердости. В то же время следует отметить, что модуль упругости молибдена существенно превышает усредненный и определенный модуль упругости данного сплава. Введение дополнительно ванадия, обладающего меньшим атомным радиусом и низким модулем упругости, приводит к уменьшению расчетного атомного радиуса, что сопровождается повышением модуля упругости и твердости.

Подобная зависимость характеристик твердости и модуля упругости в высокоэнтропийных эквиатомных сплавах от параметра решетки прослеживается для твердых растворов на основе ОЦК решетки, содержащих различные компоненты (рис. 3). Подобные зависимости позволяют разрабатывать высокоэнтропийные

0.0-

7

6

5

4

О. 3

0

0

600

800

1939

сплавы с наперед заданными характеристиками твердости, модуля упругости, удельного веса и КТР, что достаточно проблематично для невысокоэнтропийных сплавов.

Определенный папраметр решетки, нм

Рис. 3. Зависимость характеристик твердости и модуля упругости от параметра решетки высокоэнтропийных сплавов на основе ОЦК твердых растворов

Таблица 2

Влияние температуры отжига и среды напыления на физико-механические характеристики высокоэнтропийных покрытий полученных из сплава ТьУ^г-ЫЪ-Ш

Среда Исходное Отжиг 1000 оС - 1 ч

получения Н, Е J-tr а, Н, Е J-ir а.

покрытия ГПа ГПа нм ГПа ГПа нм

Вакуум 8,1 102 0,3390 9,2 112 0,3367

Азот 64,0 450 0,4462 66,0 454 0,4406

Азот 57,0 400 0,4483 50,0 370 0,4495

Высокоэнтропийные сплавы в литом состоянии обладают характеристиками прочности, присущими отдельно взятым элементам, входящим в состав эквиа-томных сплавов, находящихся в наноструктурном со-

стоянии. Такие высокие значения твердости в литом состоянии служат гарантией получения существенно более высоких значений твердости в покрытиях. Проведенные исследования различных типов покрытий подтвердили, что покрытия, полученные на основе высокоэнтропийных сплавов, сохраняют повышенные характеристики твердости и жаростойкости (табл. 2).

Для высокоэнтропийных нитридных покрытий достигнуты показатели твердости в области 50-60 ГПа при модуле упругости 600-660 ГПа. Для металлических покрытий на основе ГЦК решетки твердость может достигать 18 ГПа при модуле упругости в 190 ГПа.

Особенностью высокоэнтропийных сплавов является способность к упорядочению параметра решетки при отжиге, что сопровождается снижением параметра решетки и некоторым повышением модуля упругости и твердости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Yeh J.W., Chen Y.L., Lin S.J. and Chen S.K. High-entropy alloys - a new era of exploitation // Materials Science Forum. 2007. V. 560. P. 1-9.

2. Ranganathan S. Alloyed pleasures: Multimetallic cocktails // Current Science. 2003. V. 85. № 7. Р. 1404-1406.

3. Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Крапивка Н.А. и др. Механические свойства литых многокомпонентных сплавов при высоких температурах // Современные проблемы физического материаловедения. 2008. Вып. 17. С. 126-139.

4. Senkov O.N., Scott J.M., Senkov S.V., Miracle D.B. and Woodward C.F. Microstructure and room temperature properties of a high-entropy TaNbHfZrTi alloy // J. of Alloys and Compounds. 2011. V. 509. P. 6043-6048.

5. Фирстов С.А., Рогуль Т.Г., Крапивка Н.А. и др. Твердорастворное упрочнение высокоэнтропийного сплава AlTiVCrNbMo // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 2. С. 9-16.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Firstov S.A., Gorban V.F., Krapivka N.A., Pechkovsky E.P. NEW CLASS OF MATERIALS - HIGH-ENTROPY ALLOYS AND COATINGS

On the cast multi-component high-entropy alloys and coatings from them the influence of composition, phase constituents and structure on mechanical properties in the interval of temperatures of 20-1400 °C are studied.

Key words: entropy; equiatomic; phase composition; hardness; module of resiliency; resilient; lattice parameter and hardening.

1940