Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и нитридных покрытий на их основе (статья)

Погребник А.Д. и др.

Успехи химии, 83(11),, 2014 г.

IV. СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ

IV.1. Механические свойства

Свойства ВЭС определяются их структурой и элементным составом. Так, высокоэнтропийные сплавы с ОЦК-решеткой имеют преимущественно высокую прочность и низкую пластичность, тогда как у материалов с ГЦК-решеткой низкая прочность и высокая пластичность. В качестве примера на рис. 25 представлена зависимость твердости Al.vCoCrFeNi от концентрации алюминия. Видно, что фазы с ГЦК-структурой обладают низкой твердостью (120 HV). Твердость резко увеличивается при изменении х от 0.4 до 0.9. Максимальной твердостью обладает однофазный сплав с х = 0.9, имеющий ОЦК-структуру. По мнению авторов, увеличение относительного содержания ОЦК-фазы — главный фактор повышения твердости. Увеличение площади границ раздела фаз способствует уменьшению длины свободного пробега дислокаций в смешанной области. Незначительное снижение твердости в сплавах сх = 1.0, а затем ее увеличение с повышением концентрации алюминия, исходя из предположений авторов, происходят за счет изменения размера частиц в сформировавшейся спинодальной структуре. Частицы сплавов с х = 1.8 и 2 по сравнению с частицами остальных сплавов меньше, что подтверждает небольшой прирост твердости. Тем не менее такие сплавы обладают относительно небольшой твердостью (500 - 540 HV).

Большое значение твердости получено в работе146 при исследовании высокоэнтропийного сплава FeCoNiCrCuTi. .MoAlSiBo.5· Согласно приведенным результатам, твердость и модуль упругости достигали значений 11.3 и 187.1 ГПа соответственно. Следует отмстить лишь незначительное снижение твердости (12%) после отжига при 900°С.

Работы37*40*|47,148 посвящены исследованию механических свойств ВЭС при растяжении. Так, в работе40 при изучении механических свойств высокоэнтропийного сплава AlCrCuNiFeCo, подвергнутого интенсивной пластической деформации, обнаружено улучшение его прочностных характеристик после высокотемпературной обработки (всесторонней ковки) по сравнению с характеристиками этого сплава в литом состоянии при комнатной температуре. Типичные кривые напряжение-деформация для данного сплава, полученные в ходе испытаний на растяжение при различных температурах, представлены на рис. 26. Обнаружен хрупковязкий переход в интервалах от 700 до 800°С для литого сплава и от 600 до 700°С после термического воздействия. Стоит отметить, что при температурах выше температуры хрупко-вязкого перехода разупрочнение кованого сплава более заметно, чем литого. Например, предел прочности уменьшается от 350 МПа при 700°С до 180 МПа при 800°С и до 44 МПа при 1000 С. Снижение прочности кованого сплава происходит более резко: от 350 МПа при 600°С до 91 МПа при 700°С и 14 МПа при 1000°С. Любопытно, что хрупко-вязкий переход происходит при одинаковых значениях предела прочности (350 МПа) для обоих состояний.

Снижение предела прочности сплава после высокотемпературной обработки сопровождается переходом в сверхпластичное состояние (рис. 27). Видно, что литой сплав имеет область локальной деформации, при этом разрушение происходит при небольшом относительном удлинении. Кованый сплав деформируется более однородно без образования шейки и с большим относительным удлинением, что свидетельствует о его сверхпластичности.

Ниже рассмотрены наиболее интересные и любопытные, на наш взгляд, результаты многочисленных исследований механических свойств ВЭС при разных температурах. В работе147 при изучении механических свойств сплавов CrMnFeCoNi и CrFeCoNi, подвергавшихся растяжению в диапазоне температур от — 196 до 1000°С, выявлена их высокая пластичность при комнатной температуре. Так, пластичность и твердость при снижении температуры повышались, при этом предел прочности возрастал практически вдвое, а относительное удлинение до разрушения — в 1.5 раза (до 60%).

Превосходные механические свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiTi.v при комнатной температуре описаны в работе149. Улучшение механических характеристике учетом большого радиуса атома титана авторы объяснили твердорастворным упрочнением. Наилучшие механические характеристики показал сплав AlCoCrFeNiTio.s: предел текучести — 2.26 ГПа, прочность на разрыв — 3.14 ГПа, пластическая деформация — 23.3% (рис. 28).

Детальное рассмотрение механических характеристик ВЭС при низких температурах проведено в работах45,150. Авторы статьи |5°, сравнив механические свойства сплава AlCoCrFeNi при разных температурах, показали, что он обладает превосходными механическими характеристиками как при комнатной, так и при криогенной температурах. Обнаружено увеличение пределов текучести и прочности соответственно на 29.7 и 19.9% при снижении температуры от 298 до 77 К. Согласно интерпретации авторов, механические характеристики улучшаются при наличии однофазной ОЦК-структуры твердого раствора. В таком случае каждый атом рассматривается в качестве «растворенного» в кристаллической решетке. В результате взаимодействия «растворенных» атомов кристаллическая решетка деформируется и образуются локальные поля упругих напряжений. Твердорастворное упрочнение сводится к взаимодействию полей упругих напряжений дислокаций с аналогичными полями «растворенных» атомов, которое препятствует движению атомов и дислокаций. Преодоление возникающего энергетического барьера возможно за счет повышения температуры даже при недостаточном внешнем напряжении. Очевидно, при снижении температуры до 77 К энергетический барьер возрастает, при этом затрудняется движение дислокаций. Следовательно, характеристики высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNi намного лучше при сверхнизких температурах, чем при комнатной. Однако, по нашему мнению, необходимы дальнейшие исследования природы этих препятствий, а также их распределения в сплавах с различным элементным составом.

В работе 151 для высокоэнтропийного сплава Alo.sCoCr. .CuFeNi не только установлены превосходные усталостные характеристики (предел выносливости колебался от 540 до 945 МПа, а его отношение к пределу прочности при растяжении — от 0.402 до 0.703), но и проведено их сравнение с характеристиками традиционных сплавов, например стали, сплавов на основе Ni, Си, Mg, объемных металлических стекол. Кривые усталости высокоэнтропийного сплава Alo.sCoCrCuFeNi и различных традиционных сплавов, а также зависимости предела выносливости и коэффициента усталости от предела прочности при растяжении представлены на рис. 29 и 30. Видно, что ВЭС обладают превосходными усталостными характеристиками, и это, вероятно, в первую очередь связано с замечательными механическими свойствами при растяжении (например, с повышением предела прочности при растяжении предел выносливости увеличивается линейно (см. рис. 30,а)). Таким образом, высокоэнтропийные сплавы можно рассматривать в качестве перспективных материалов для использования в областях, где усталостные характеристики имеют важное значение.

. Свойства сплава TaNbHfZrTi исследованы в диапазоне от 296 до 1473 К.46 Обнаружены три температурных интервала с разными механизмами деформации:

в области 296 -873 К деформационное упрочнение не зависит от температуры; наблюдаются деформация двойникованием, образование полосы сдвига (673 - 873 К), высокий предел текучести (929 МПа), сильное деформационное упрочнение (3360 МПа);

при 1073 К формируются очень мелкие равноосные зерна по границам деформированных зерен, отсутствует деформация двойникованием;

в области 1273- 1473 К резко снижается деформирующее напряжение, отсутствуют трещины, во время деформации протекают процессы рекристаллизации.

Особое внимание исследователей привлекли ВЭС на основе тугоплавких элементов.39’46·47’55’153

Анализ зависимостей напряжение-деформация для высокоэнтропийного сплава V2oNb2oMo2oTa2oW2o при различных температурах (рис. 31) показал, что у него при комнатной температуре высокий предел текучести (1246 МПа) и ограниченная пластичность (1.5%). В диапазоне от комнатной температуры до 600°С сплав претерпевает хрупко-вязкий переход, который сопровождается снижением прочности. С дальнейшим повышением температуры предел текучести снижается от 1246 до 477 МПа. В температурном диапазоне 1400- 1600°С происходит размягчение сплава. По мнению авторов, в тугоплавких высокоэнтропийных сплавах ввиду слабой диффузии элементов сильно сопротивление высокотемпературному размягчению.

Таким образом, при рассмотрении механических свойств ВЭС установлен ряд любопытных эффектов, таких как наличие хрупко-вязкого перехода и сверхпластичного состояния, увеличение пределов прочности и текучести при низких температурах; также обнаружены высокие значения пластичности, предела текучести, прочности на разрыв при комнатной температуре, высокая удельная прочность при повышенных температурах, многообещающие усталостные характеристики.