научная статья по теме CТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО СПЛАВА COCRCUFENISNХ Физика

Текст научной статьи на тему «CТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО СПЛАВА COCRCUFENISNХ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 7, с. 737-741

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 536.425:539.25

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО СПЛАВА CoCrCuFeNiSn^. © 2014 г. В. Ф. Башев, А. И. Кушнерев

Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара, Украина, 49010, Днепропетровск, пр. Гагарина, 72 e-mail: bashev_vf@ukr.net Поступила в редакцию 22.07.2013 г.; в окончательном варианте — 17.09.2013 г.

Впервые исследована структура и механические свойства многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов CoCrCuFeNiSnx (х = 0.5; 1) в литом и жидкозакаленном (скорость охлаждения ~106 К с-1) состояниях. Установлено одновременное формирование в структуре двух твердых растворов. Получены высокие значения микротвердости и плотности дислокаций в жидкозакаленных образцах.

Ключевые слова: высокоэнтропийный сплав, структура, микротвердость. DOI: 10.7868/S0015323014040020

ВВЕДЕНИЕ

Традиционно разработка новых металлических сплавов происходит путем выбора одного или двух базовых элементов с последующим легированием их оптимальной концентраций полезных примесей. Именно по такому принципу разрабатывались широко используемые ныне сплавы на основе Бе, Си, А1, М§, и многих других. В 1960-1990-х годах были разработаны и получены сплавы с высокой стеклообразующей способностью при использовании по меньшей мере трех различных элементов со значительно отличающимися атомными радиусами [1]. Тем не менее, принципы разработки вышеупомянутых сплавов, по-прежнему, ограничивались использованием матриц, содержащих в больших концентрациях один или два элемента. Основной причиной ограничения количества основных элементов являлось ожидаемое формирование в структуре сплавов большого количества хрупких интерметаллических соединений и сложных микроструктур. Таким образом, в прошлом исследованиям сплавов, содержащих большее количество основных компонентов, уделялось недостаточно внимания.

Относительно недавно был предложен термодинамический подход к разработке сплавов [2, 3], при использовании которого получен совершенно новый класс материалов, известных ныне в литературе, как высокоэнтропийные сплавы. Они представляют собой сплавы, содержащие, по меньшей мере, пять основных элементов в эквиатом-ных или близких к эквиатомным концентрациях. Подбором оптимального количества компонентов и соотношения их концентраций в сплаве со-

здается повышенное значение энтропии смешения, которое сохраняется не только в расплавленном состоянии, но и после затвердевания. Вследствие высокой энтропии в структуре многокомпонентных сплавов при кристаллизации вместо сложных фаз или интерметаллических соединений обычно образуются простые твердые растворы замещения с ОЦК- или ГЦК-решетками. Такие сплавы получили широкую известность в 2004 г., и за последние несколько лет был получен и изучен целый ряд многокомпонентных сплавов. Подобные сплавы характеризуются уникальной структурой и целым комплексом замечательных эксплуатационных характеристик, таких как твердость, износостойкость, устойчивость к окислению и коррозии, высокая термическая стабильность [4—9]. Повышенные механические характеристики обеспечиваются за счет сильного искажения кристаллической решетки вследствие различий в атомных радиусах элементов замещения, причем, чем выше энтропия смешения, тем более выражены эти характеристики сплава.

Такой "энтропийный" подход к конструированию многокомпонентного сплава позволяет априори определить число элементов и их соотношение, а также частично оценить фазовое и структурное состояния после кристаллизации. Однако, с помощью этого подхода нельзя однозначно решить проблему выбора конкретных элементов сплава с целью получения требуемых характеристик. Поэтому, положив в основу данные подобной "энтропийной" оценки его свойств, необходимо уточнять состав сплава эмпирическим путем [9].

Таблица 1. Энтальпии смешения ДН,^ кДж/моль, вычисленные с использованием модели М1еёета [12]

Элемент Сг Си Бе N1 Яп

Со —4 6 — 1 0 0

Сг 12 — 1 —7 10

Си 13 4 7

Бе —2 11

N1 —4

Наиболее часто для получения высокоэнтропийных сплавов используются такие металлы, как А1, Т1, Сг, Бе, Со, N1 и Си. В данной работе была впервые исследована структура многокомпонентных сплавов СоСгСиРе№8пх (х = 0.5; 1) в литом (скорость охлаждения ~102 К с-1 ) и жидкоза-каленном (скорость охлаждения до ~106 К с-1) состояниях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

С целью установления влияния величины энтропии, состава и скорости охлаждения расплава на микротвердость, фазовый состав и параметры тонкой структуры исследовали сплавы в литом и жидкозакаленном состоянии.

Закалку из жидкого состояния (ЗЖС) проводили по известной методике 8р1а1-охлаждения путем размазывания капли расплава на внутренней поверхности быстро вращающегося медного цилиндра. Оцененная по толщине фольги скорость охлаждения расплава составляла ~105-106 К/с. Микроструктуру литых образцов исследовали при помощи оптического микроскопа, а также растрового электронного микроскопа-микроанализатора РЭММА-102-02. Рентгеноструктурный анализ (РСА) проводили на дифрактометре ДР0Н-2.0 в монохроматизированном медном излучении. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 200 г.

Подбор компонентов исследованных высокоэнтропийных сплавов осуществляли, исходя из следующих соображений.

В соответствии с уравнением Гиббса

т1х - АНт1х ТА £т1х,

(1)

А^т1х = -^Х С 1П

(=1

С — атомная доля элемента с номером I, Я — универсальная газовая постоянная.

Повышенное значение энтропии в соответствии с уравнением Гиббса приводит к снижению свободной энергии сплава, что обусловливает устойчивость твердого раствора. Для сплава из п компонентов максимальное значение энтропии, очевидно, будет при их смешивании в равных атомных долях. Однако, как показывает практика, простым смешиванием компонентов в экви-атомном соотношении не всегда можно достичь желаемых свойств. В связи с этим, были разработаны дополнительные критерии, в соответствии с которыми можно осуществлять подбор элементов сплава [10, 11]:

1. Значение энтропии смешения А£т1х должно быть не менее 12 Дж/(моль К).

2. Значение энтальпии смешения ДНт1х должно лежать в пределах от —15 кДж/моль до 5 кДж/моль. Слишком высокая энтальпия смешения приводит к сегрегации отдельных компонентов сплава, а слишком низкая - к формированию сложных структур и интерметаллических соединений. Значение ДНт1х определяется по формуле:

АНт

= Х ПУСС

1=1,1*]

(3)

где О.] = МНт®., АНтх — энтальпия смешения для бинарного сплава элементов А и В в жидком состоянии.

3. Компоненты сплава не должны сильно отличаться друг от друга по атомным радиусам. Это необходимо для образования простых твердых растворов замещения (8 < 4.6, где 8 — параметр, характеризующий различие в атомных радиусах компонентов сплава):

8 = 100

ХС(1 - )2>

(=1

п

= Х СГо

(4)

(5)

где ДСт1х — потенциал Гиббса, ДНт1х — энтальпия а ASmix — энтропия смешения, которая определяется из уравнения

(2)

(=1

Г — атомный радиус элемента с номером ¡.

Значения энтальпий смешения ДН^, а так же атомных радиусов элементов и их шихтовых концентраций в сплавах, исследованных в данной работе, приведены соответственно в табл. 1 и табл. 2.

Исходя из вышеприведенных данных, для сплава СоСгСиРе№8п05 получили значение ДНтх = 4.23 кДж/моль, Д^т1х = 14.69 Дж/(моль К), 8 = 7.08. Для сплава СоСгСиБеМЯп^ ДНт1х = = 4.89 кДж/моль, Д^т1х = 14.89 Дж/(моль К), 8 = = 8.95. Таким образом, значение параметра 8 для исследованных сплавов превышает рекомендуемые пределы, однако, как было отмечено в [13],

п

п

п

Таблица 2. Атомные радиусы элементов и их шихтовые концентрации в изученных сплавах

Элемент Со Сг Си Бе N1 Яп

Атомный радиус, нм 0.125 0.129 0.128 0.126 0.125 0.158

Шихтовая концентрация в сплаве СоСгСиРг№Яп05, ат. % 18.18 18.18 18.18 18.18 18.18 9.1

Шихтовая концентрация в сплаве СоСгСиРг№Япь ат. % 16.67 16.67 16.67 16.67 16.67 16.67

данный критерий, по-видимому, требует некоторого уточнения.

Выбор в качестве легирующего элемента олова обусловлен наличием у него существенно большего радиуса атома (0.158 нм) по сравнению с другими компонентами (~0.126 нм). Это должно положительно повлиять на величину микронапряжений (напряжений 2-го рода, которые обычно уравновешиваются в объеме отдельного кристалла). Они в свою очередь связанных с величиной упругой деформации кристаллов, пропорционально влияющей на механические характеристики материалов (в частности, на микротвердость Нц). Величина микронапряжений при исследовании рентгенографическим методом оценивается либо по величине относительной микродеформации межплоскостных расстояний, либо по степени искажения кристаллической решетки (Да/а). В данной работе уровень микронапряжений и величина плотности дислокаций оценивались по уширению дифракционных максимумов [14, 15].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные дифрактограммы (рис. 1) подвергались расшифровке с целью установления фазового состава, периодов кристаллических решеток и параметров тонкой структуры (областей когерентного рассеяния (ОКР) и микронапряжений. Также оценивалась и плотность дислокаций (р) по профилю первого дифракционного максимума. Анализ дифрактограмм позволил установить следующее: 1) в литом и ЗЖС-состояниях в сплавах формируется двухфазная (ГЦК + ОЦК)-структура. С увеличением содержания олова возрастает склонность к образованию в ОЦК-решетке фазы типа В2 (СвС1). Эта склонность ослабевает с увеличением скорости охлаждения до 105—106 К/с (табл. 3); 2) закалка из расплава приводит к изменению периодов кристаллических решеток, что свидетельствует о расширении областей их существования; 3) метод ЗЖС эффективно измельчает размеры ОКР, повышает уровень микронапряжений и существенно (в 1.6—2.0 раза) увеличивает микротвердость (до 8000 МПа для сплава СоСгСиРе№8пх).

Полученные результаты приведены в табл. 3, из которой видно, что повышение содержания

олова в сплаве положительно влияет на величину микротвердости: 1) за счет возрастания степени упругой деформации кристаллической решетки, обусловленной вхождением в нее больших по размерам

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком