РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Литературный обзор 9
1.1 Основные представления о высокоэнтропийных сплавах 9
1.2 Влияние химического состава ГЦК высокоэнтропийных сплавов на величину энергии дефекта упаковки 13
1.3 Зависимость механизмов пластической деформации, скольжения и двойникования, от
величины энергии дефекта упаковки 15
1.4 Механические свойства поли- и монокристаллов ГЦК высокоэнтропийных сплавов .. 18
1.5 Влияние частиц второй фазы на механические свойства поликристаллов
высокоэнтропийных сплавов 23
1.6 Влияние поля приложенных напряжений на тонкую структуру дислокации 26
2 Постановка задач и методика эксперимента 29
2.1 Постановка задач 29
2.2 Методика эксперимента 31
3 Результаты эксперимента и обсуждение 33
3.1 Температурная и ориентационная зависимость критических скалывающих напряжений
в монокристаллах FeNiCoCrMn ВЭС при деформации растяжением 33
3.2 Ориентационная зависимость механического поведения монокристаллов FeNiCoCrMn
ВЭС при деформации растяжением 35
3.3 Влияние частиц у'- фазы на механические свойства монокристаллов
высокоэнтропийного сплава FeNiCoCrAl0.3 при деформации растяжением 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 56
Недавно была предложена революционная концепция конструкции сплава, а именно концепция высокоэнтропийного сплава (ВЭС), основная идея которой заключается в одновременном сплавлении нескольких основных элементов в эквимолярных или почти эквимолярных отношениях для увеличения конфигурационной энтропии для стабилизации структур. Высокая величина энтропии смешения достигается за счет сочетания пяти и более элементов концентрацией от 5 до 35 ат. % с близкими значениями атомных радиусов. С момента своего создания этот класс материалов привлекает к себе большое внимание благодаря своим уникальным свойствам и связанной с этим научной значимости. Из-за высокой энтропии смешения эти сплавы имеют тенденцию образовывать однофазные структуры с высокой симметрией, такие как ГЦК (гранецентрированная кубическая), ОЦК (объемно-центрированная кубическая) и ГПУ (гексагональная плотноупакованная). Было показано, что они демонстрируют несколько особых внутренних характеристик, например, высокую конфигурационную энтропию, медленную диффузию атомов и большие искажения решетки. Предполагается, что эти особенности улучшают образование и стабилизацию фаз твердого раствора и препятствуют движению дислокаций, тем самым улучшая механическую прочность, особенно при низких температурах [1, 2].
Актуальность работы. ВЭС могут успешно найти свое практическое применение в области криогенных температур, поскольку их отличительной особенностью от известных конструкционных материалов является сохранение пластичности, прочности и вязкости разрушения при криогенных температурах испытания [3, 4]. Однако, к настоящему времени физическая причина достижения уникального сочетания таких механических свойств (а именно: при высокой скорости деформационного упрочнения сохранять высокую пластичность и вязкое разрушение при криогенных температурах) остается до конца не выясненной. Вторым важным моментом в изучении данных сплавов является тот факт, что при Т > 296 К наблюдается низкий уровень напряжений на пределе текучести, что затрудняет их использование в области высоких температур. Возникает задача исследования способов повышения прочности данных материалов для их эксплуатации в более широком температурном интервале.
В настоящей работе на монокристаллах исследуются механизмы твердорастворного и деформационного упрочнения монокристаллов ВЭС FeNiCoCrMn и FeNiCoCrAl0.3 при деформации растяжением, а также изучаются механизмы и способы повышения уровня напряжений при высоких температурах на монокристаллах неэквиатомного FeNiCoCrAl0.3 ГЦК ВЭС. Исследование свойств ВЭС на монокристаллах позволяет за счет выбора ориентации установить влияние механизмов деформации (скольжение / двойникование) на особенности механического поведения, а также исследовать механические свойства ВЭС сплавов в отсутствии границ зерен.
Целью магистерской диссертации является исследование механизмов твердорастворного и деформационного упрочнения на монокристаллах FeNiCoCrMn и FeNiCoCrAl0.3 ВЭС при деформации растяжением и исследование способов повышения напряжений на пределе текучести.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать температурную и ориентационную зависимость критических скалывающих напряжений при деформации растяжением в широком температурном интервале Т = 77 - 573 К в монокристаллах FeNiCoCrMn ВЭС;
2. Исследовать стадийность о(в)- кривых, пластичность и коэффициент деформационного упрочнения в монокристаллах FeNiCoCrMn ВЭС при деформации растяжением при 296 и 77 К;
3. Методами оптической металлографии, рентгеновской дифрактометрии, электронной микроскопии исследовать механизм деформации - скольжение и двойникование монокристаллов FeNiCoCrMn ВЭС при деформации растяжением при 296 и 77 К;
4. Исследовать ориентационную зависимость критических скалывающих напряжений для двойникования в монокристаллах FeNiCoCrMn ВЭС при деформации растяжением.
5. Исследовать влияние выделения частиц второй фазы на уровень прочностных свойств в монокристаллах высокоэнтропийного сплава FeNiCoCrAl0.3 при растяжении.
6. Исследовать ориентационную зависимость о(в)- кривых течения, механизмов деформации (скольжения / двойникования), коэффициента деформационного упрочнения и пластичности при деформации растяжением в монокристаллах высокоэнтропийного сплава FeNiCoCrAl0.3 с частицами второй фазы.
Научная новизна работы. На монокристаллах FeNiCoCrMn и FeNiCoCrAlo.3 ВЭС при деформации растяжением впервые:
- Установлено, что в монокристаллах, исследуемых ВЭС, температурная зависимость критических скалывающих напряжений Ткр(Т) при деформации растяжением имеет вид, характерный для ГЦК кристаллов при деформации скольжением. Критические скалывающие напряжения Ткр не зависят от ориентации кристалла и закон Боаса-Шмида как в однофазном состоянии, так и при выделении частиц у'- фазы выполняется.
- Показано, что вид о(в)- кривых течения, коэффициент деформационного упрочнения 9II и пластичность в монокристаллах FeNiCoCrMn ВЭС зависят от ориентации кристалла и числа действующих систем двойникования.
- Установлено, что выделение частиц у'- фазы размером 5 - 7 нм при старении при 893 К в течение 50 ч в монокристаллах FeNiCoCrAl0.3 ВЭС приводит к повышению уровня напряжений на пределе текучести, локализации деформации преимущественно в одной системе, подавлению двойникования в [111] - кристаллах при 77 К, уменьшению коэффициента деформационного упрочнения do / ds и увеличению пластичности по сравнению с кристаллами этого ВЭС без частиц при деформации растяжением.
- Показано, что достижение высоких значений деформационного упрочнения при множественном двойниковании, подавление скольжения и релаксации напряжений за счет скольжения или двойникования при пересечении тонких двойников приводит к разрушению квазисколом [ 144] - кристаллов FeNiCoCrMn ВЭС при 77 К.
Научно-практическая значимость работы. Обнаруженные в кристаллах FeNiCoCrMn и FeNiCoCrAlo.3 ВЭС закономерности влияния ориентации кристалла, числа действующих систем скольжения и двойникования, а также частиц второй фазы на уровень критических скалывающих напряжений Ткр, вид o(s)- кривых течения, величину коэффициента деформационного упрочнения 0и, уровень напряжений перед разрушением, пластичность и дислокационную структуру могут быть использованы для развития нового подхода к созданию текстурированных поликристаллов данного сплава, а также для конструкции других новых ВЭС.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментально установленное выполнение закона Боаса-Шмида о независимости критических скалывающих напряжений от ориентации кристалла при Т > 300 K и слабую ориентационную зависимость критических скалывающих напряжений Ткр при T < 300 K при одной температуре испытания при деформации растяжением в монокристаллах высокоэнтропийного сплава FeNiCoCrMn с низкой величиной энергии дефекта упаковки ус = 0.019 - 0.021 Дж/м2. Выясненные закономерности зависимости стадийности кривых течения o(s), коэффициента деформационного упрочнения 0п = do / ds на стадии линейного упрочнения и пластичности от числа действующих систем двойникования на примере ориентаций [123], [144] и [111] при деформации растяжением.
2. Экспериментально установленные условия, а именно: достижение высоких значений деформационного упрочнения при множественном двойниковании, подавление скольжения и релаксации напряжений за счет скольжения или двойникования при пересечении тонких двойников, для разрушения квазисколом [144] - монокристаллов высокоэнтропийного сплава FeNiCoCrMn ВЭС при деформации растяжением при 77 К.
3. Экспериментально установленные закономерности влияния частиц у'- фазы при
старении 893 К в течение 50 ч монокристаллов высокоэнтропийного сплава FeNiCoCrAl0.3 на увеличение уровня напряжений на пределе текучести и ориентационную зависимость критических скалывающих напряжений. Влияние частиц у'- фазы на локализацию деформации преимущественно в одной системе и подавление двойникования в [111] - кристаллах при 77 К, определяющих величину коэффициента деформационного упрочнения do / ds, стадийность кривых течения и пластичность в монокристаллах [001] и [111] высокоэнтропийного сплава FeNiCoCrAl0.3 при деформации растяжением.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Международных конференциях: 13-я Международная конференция по сверхпластичности в современных материалах (г. Санкт-Петербург, 2018), I Международный конгресс «Современные материалы и технологии новых поколений» (г. Томск, 2018), II Международный конгресс «Современные материалы и технологии новых поколений» (г. Томск., 2019), Международный семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов» (г. Москва, 2019).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в базу Web of Science и Scopus, 7 тезисов в сборниках трудов и материалов международных и всероссийских научных конференций.
Экспериментальные исследования на монокристаллах FeNiCoCrMn и FeNiCoCrAl0.3 ВЭС при деформации растяжением позволяют сделать следующие выводы:
1. При деформации растяжением критические скалывающие напряжения для скольжения в монокристаллах FeNiCoCrMn ВЭС в области низких температур испытания при Т < 296 K обнаруживают слабую температурную зависимость от ориентации кристалла, тогда как при T > 296 K ориентационной зависимости критических скалывающих напряжений для скольжения нет, и закон Боаса-Шмида выполняется.
2. На монокристаллах FeNiCoCrMn ВЭС показано, что деформационное упрочнение при 77 К определяется множественностью двойникования. В [111]- кристаллах, ориентированных для множественного сдвига, развитие двойникования с начала деформации в двух системах одновременно со скольжением определяет высокий коэффициент деформационного упрочнения 0п = do / de на стадии линейного упрочнения. Переход от развития двойникования в двух системах к преимущественно в одной при е > 20 % сопровождается падением 0п = do / de в [111] - кристаллах. В [144] - кристаллах, ориентированных для сдвига в одной системе, при деформации е > 5 % при развитии двойникования в двух системах деформационное упрочнение достигается как в [111]- кристаллах при е < 20 %.
3. Развитие двойникования преимущественно в одной системе после множественного двойникования ( [111] - кристаллы) или предшествующего скольжения преимущественно в одной системе ([123]- кристаллы) увеличивает протяженность стадии линейного упрочнения и пластичность кристаллов по сравнению с комнатной температурой испытания. Развитие двойникования в нескольких системах при 77 К сопровождается уменьшением пластичности в [ 144] - кристаллах в два раза по сравнению с температурой 296 К, когда двойникование развивается преимущественно в одной системе.
4. Достижение высоких значений деформационного упрочнения при множественном двойниковании, подавление скольжения и релаксации напряжений за счет скольжения или двойникования при пересечении тонких двойников приводит к разрушению квазисколом [144]- кристаллов FeNiCoCrMn ВЭС при 77 К. Уменьшение деформационного упрочнения за счет развития двойникования преимущественно в одной системе при интенсивном развитии скольжения и релаксация напряжений за счет скольжения или двойникования при пересечении тонких двойников обеспечивает вязкое разрушение [111]- и [123]- кристаллов при 77 К.
5. Выделение частиц у'- фазы приводит к повышению уровня критических скалывающих напряжения Ткр при деформации растяжением в [111] - и [001]- кристаллах FeNiCoCrAl0.3 ВЭС на 25 - 30 МПа в широком температурном интервале 77 - 973 К, по сравнению с закаленными кристаллами, которые не зависят от ориентации кристалла и закон Боаса-Шмида выполняется.
6. В [111] - и [001]- кристаллах FeNiCoCrAl0.3 ВЭС с частицами у'- фазы в температурном интервале от 77 до 773 К коэффициент деформационного упрочнения би меньше, чем в закаленных кристаллах. Уменьшение величины 9п в кристаллах FeNiCoCrAl0.3 ВЭС с частицами у'- фазы определяется влиянием частиц у'- фазы на локализацию деформации в одной системе с начала пластической деформации, на развитие планарной структуры с плоскими скоплениями дислокаций и дополнительно подавление двойникования в [111]- кристаллах.