Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) представляют собой новый класс материалов, обладающих огромным потенциалом, как на уровне фундаментального понимания, так и с точки зрения применения [1, 2]. Понятие высокой энтропии показывает новый путь развития передовых материалов с уникальными свойствами, который не может быть достигнут традиционным подходом, основанном только на одном доминирующем элементе.
ВЭС по своим механическим свойствам относятся больше к классу конструкционных материалов с отличным сочетанием прочности и пластичности, высокой вязкостью разрушения, стойкостью к коррозии и водородному охрупчиванию [2]. Они также обладают хорошей устойчивостью к радиационным повреждениям, поэтому считаются потенциальными материалами для применения в современных реакторах. Огнеупорные ВЭС являются перспективными кандидатами для высокотемпературных применений, например, для авиационных двигателей, благодаря их термической стабильности при повышенных температурах. Сверхпроводимость, которая была обнаружена в ВЭС TaNbHfZrTi, расширяет возможные области применения данных сплавов, выходя за рамки конструкционных материалов.
ВЭС с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой проявляют исключительные механические свойства при криогенных температурах, благодаря активации двойникования в дополнение к дислокационному скольжению. Сосуществование множественных путей деформации ставит важный вопрос о том, как отдельные механизмы деформации конкурируют или взаимодействуют друг с другом во время пластической деформации. Количественный анализ показал, что взаимодействие этих различных механизмов деформации (скольжения и двойникования) друг с другом приводит к экстремальному упрочнению ГЦК ВЭС [3].
Актуальность работы. ВЭС с ГЦК решеткой являются новым классом металлических сплавов, который в последнее время привлекает внимание исследователей из-за уникальных свойств: высокой скорости
деформационного упрочнения, хорошей пластичности и вязкого разрушения, особенно в области криогенных температур [3 - 5], что делает их конкурентно способными с хорошо известными аустенитными нержавеющими сталями (АНС), легированными азотом или углеродом. Однако, ГЦК ВЭС оказываются только близкими к высокопрочным материалам при T < 296 К, так как o0.i ~ G/140 - G/200 (где о0.1 - предел текучести, G - модуль сдвига сплава) и являются низкопрочными (о0Л 296 К из-за сильной температурной зависимости о0.1(Т) [4, 5], что затрудняет их практическое применение. К высокопрочным сплавам, как известно, относят сплавы с пределом текучести о0Л близким к величине G/100 [3]. Высокий уровень о0Л в этих сплавах повышают различными способами, например, за счет уменьшения размера зерна, твердорастворного упрочнения атомами внедрения (азота и углерода), легирования атомами замещения большего атомного радиуса и дисперсионного твердения [3 - 8].
ВЭС (CoCrFeNi)94Ti2Al4с ГЦК решеткой является одним из перспективных сплавов, в котором можно получить высокий уровень напряжений при температурах выше комнатной [6, 7]. Во-первых, легирование атомами замещения Ti и Al системы CoCrFeNi приводит к твердорастворному упрочнению из-за большего атомного радиуса, чем у других атомов, входящих в состав ВЭС [6]. Во-вторых, легирование атомами Ti и Al способствует выделению частиц у'-фазы в температурном интервале 923 - 1123 К, которые в результате замедленной диффузии в данном температурном интервале слабо увеличиваются в размере и сохраняют когерентное сопряжение с исходной матрицей [7]. Это может приводить не только к росту о0Л при температурах выше комнатной, но и обеспечивать их слабую температурную зависимость с увеличением температуры испытания.
В-третьих, меньшая концентрация атомов Al в ВЭС (CoCrFeNi)94Ti2Al4, чем в другом ВЭС (CoCrFeNi)93Al7с величиной энергии дефекта упаковки (ЭДУ) 0.051 Дж/м2 [5, 9], способствует понижению величины ЭДУ и, тем самым, повышает его склонность к развитию деформации двойникованием после меньшей степени деформации скольжением, чем в сплаве (CoCrFeNi)93Al7 [5].
До сих пор экспериментальные работы были выполнены преимущественно на поликристаллах ВЭС (CoCrFeNi)94Ti2Al4, где было показано, что при выделении когерентных частиц у'-фазы размером 22 - 25 нм при старении в температурном интервале 1023 - 1073 К достигаются максимальные значения нанотвердости 1.75 - 2.5 ГПа и напряжения на пределе текучести выше 1 ГПа с сохранением пластичности до 17 % [6, 7]. Однако, систематические исследования механического поведения монокристаллов этого сплава в литературе отсутствуют.
В настоящей работе впервые на монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4представлены систематические исследования критических скалывающих напряжений при деформации растяжением и сжатием в широком температурном интервале от 77 до 973 К, пластической деформации при растяжении и влияния на механическое поведение монокристаллов этого ВЭС наноразмерных частиц у'-фазы.
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 дислокационного, дисперсионного и деформационного упрочнения на монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4при деформации растяжением и сжатием.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать температурную, ориентационную зависимость и асимметрию критических скалывающих напряжений ткр при деформации растяжением и сжатием в широком температурном интервале Т = 77 - 973 К при растяжении и Т = 203 - 973 К при сжатии в монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4;
2. Исследовать стадийность о(е)-кривых, пластичность и коэффициент деформационного упрочнения и напряжения перед разрушением в закаленных монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4при деформации растяжением и сжатием;
3. Методами оптической металлографии и электронной микроскопии исследовать механизм деформации - скольжение и двойникование в монокристаллах (FeCoNiCr)94Ti2Al4 при деформации растяжением;
4. Исследовать влияние частиц второй фазы на ориентационную зависимость о(е)-кривых течения, механизм деформации (скольжения/двойникования), коэффициент деформационного упрочнения и пластичность при деформации растяжением в монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4;
5. Получить высокопрочное состояние на пределе текучести за счет комбинированного упрочнения двойниками и наноразмерными частицами в широком температурном интервале от 77 до 973 К в монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4при деформации растяжением.
Научная новизна работы. На монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4 при деформации растяжением впервые:
- Установлено, что температурная зависимость критических скалывающих напряжений ткр(Т) при деформации растяжением и сжатием имеет вид, характерный для ГЦК кристаллов при деформации скольжением. В закаленных и состаренных [001]-, [111]- и [144]-монокристаллах ВЭС (CoCrFeNi)94Al4Ti2 критические скалывающие напряжения в температурном интервале от 77 до 973 К не зависят от ориентации кристалла при одном способе деформации растяжении или сжатии, а в кристаллах одной ориентации не зависят от способа деформации растяжения/сжатия и закон Боаса-Шмида выполняется.
- Установлено, что старение монокристаллов ВЭС (CoCrFeNi)94Al4Ti2 при 923 К в течение 4 часов приводит к выделению упорядоченных по типу L12частиц у'-фазы размером 3 - 5 нм, которые повышают критические скалывающие напряжения на 25 МПа по сравнению с закаленными кристаллами в температурном интервале от 77 до 973 К.
- Показано, что вид о(е)-кривых течения, коэффициент деформационного упрочнения 0П на линейной стадии и пластичность в монокристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4зависят от ориентации кристалла, температуры испытания и термической обработки, что определяется числом действующих систем скольжения и двойникования.
- Установлено, что в [144]-кристаллах ВЭС (CoCrFeNi)94Al4Ti2 высокопрочное состояние при растяжении с напряжением на пределе текучести равным G/100 - G/150 в температурном интервале 77 - 973 К достигается за счет комбинированного упрочнения двойниками, введенными при низкотемпературной деформации 50 % при 77 К, и частицами у'-фазы размером 3 - 5 нм при последующем старении деформированных кристаллов. В высокопрочных кристаллах пластичность составляет 10 - 15 % и разрушение сохраняется преимущественно вязким.
Научно-практическая значимость работы. Обнаруженные в кристаллах ВЭС (FeCoNiCr)94Ti2Al4 закономерности влияния ориентации кристалла, числа действующих систем скольжения и двойникования, частиц второй фазы на уровень критических скалывающих напряжений ткр, вид о(е)- кривых течения, величину коэффициента деформационного упрочнения 0П на стадии линейного упрочнения, уровень напряжений перед разрушением omax, пластичность и дислокационную структуру могут быть использованы для создания текстурированных поликристаллов ВЭС с заданным набором механических свойств. Полученный комбинированный способ упрочнения двойниками и наноразмерными частицами у'-фазы может быть использован как способ получения высокой прочности на пределе текучести в широком температурном интервале от 77 до 973 К в текстурированных поликристаллах ВЭС.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментально установленное выполнение закона Боаса- Шмида о независимости критических скалывающих напряжений от ориентации кристалла и способа деформации (растяжения и сжатия) в монокристаллах ГЦК высокоэнтропийного сплава (FeCoNiCr)94Ti2Al4в однофазном состоянии после закалки и с наноразмерными частицами у'-фазы с размером 3 - 5 нм в широком температурном интервале от 77 до 973 К.
2. Экспериментально установленные закономерности влияния ориентации кристалла, температуры испытания и наноразмерных частиц у'- фазы на стадийность о(е)-кривых течения, коэффициент деформационного упрочнения 0ц = do/de на стадии линейного упрочнения и пластичность в монокристаллах ГЦК высокоэнтропийного сплава (FeCoNiCr)94Ti2Al4при деформации растяжением.
3. Экспериментально установленный способ достижения высокопрочного состояния на пределе текучести (G/100 - G/150) в монокристаллах ГЦК высокоэнтропийного сплава (FeCoNiCr)94Ti2Al4при деформации растяжением в температурном интервале 77 - 973 К за счет комбинированного упрочнения двойниками, введенными при низкотемпературной деформации 50 % при 77 К, и частицами у'-фазы размером 3 - 5 нм при последующем старении деформированных кристаллов.
Апробация работы. Материалы магистерской диссертации были представлены на Международных конференциях: XVII Российская научная студенческая конференция «Физика твердого тела» (г. Томск, 18 мая 2020 г.), Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (г. Витебск, 25 - 29 мая 2020 г.), Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», посвященной 90-летию со дня рождения основателя и первого директора ИФПМ СО РАН академика Виктора Евгеньевича Панина (г. Томск, 5 - 9 октября 2020 г.), Международная конференция и школа молодых ученых «Получение, структура и свойства высокоэнтропийных материалов» (г. Белгород, 14 - 16 октября 2020 г.), XIV Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 09 - 13 ноября 2020 г.).
Публикации. По материалам магистерской диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в базу Scopus, 5 тезисов в сборниках трудов и материалов международных и российских научных конференций.
Экспериментальные исследования на монокристаллах высокоэнтропийного сплава (FeNiCoCr)94Al4Ti2 при деформации растяжением и сжатием позволяют сделать следующие выводы:
1. Старение монокристаллов высокоэнтропийного сплава (CoCrFeNi)94Al4Ti2при 923 К в течение 4 часов приводит к выделению упорядоченных по типу L12частиц у'-фазы размером 3 - 5 нм, которые повышают критические скалывающие напряжения на 25 МПа относительно закаленных кристаллов в температурном интервале от 77 до 973 К.
2. В закаленных и состаренных [144]- и [001]-монокристаллах высокоэнтропийного сплава (CoCrFeNi)94Al4Ti2критические скалывающие напряжения не зависят от ориентации кристалла при одном способе деформации растяжении или сжатии, а в кристаллах одной ориентации не зависят от способа деформации растяжения/сжатия и закон Боаса - Шмида выполняется.
3. Исследования дислокационной структуры [144]-, [111]- и [001]- кристаллов высокоэнтропийного сплава (FeNiCoCr)94Al4Ti2показывают, что при деформации растяжением и сжатием развивается планарная дислокационная структура с плоскими скоплениями дислокаций.
4. Стадийность о(е)-кривых течения, коэффициент деформационного упрочнения и пластичность проявляют зависимость от ориентации кристалла и способа деформации, которая определяется зависимостью от ориентации и способа деформации локализации пластического течения, наличия дефекта упаковки и двойникования. Двойникование в [001]-кристаллах высокоэнтропийного сплава (CoCrFeNi)94Ti2Al4 при сжатии развивается при 296 К при 20 % и приводит к сильному росту коэффициента деформационного упрочнения 0 = do/de. При отсутствии двойникования 0 = do/de меньше.
5. В [144]-кристаллах высокоэнтропийного сплава (CoCrFeNi)94Al4Ti2 высокопрочное состояние при растяжении с напряжением на пределе текучести равным G/100 - G/150 в температурном интервале 77 - 973 К достигается за счет комбинированного упрочнения двойниками, введенными при низкотемпературной деформации 50 % при 77 К, и частицами у'-фазы размером 3 - 5 нм при последующем старении деформированных кристаллов. В высокопрочных кристаллах пластичность составляет 10 - 15 % и разрушение сохраняется преимущественно вязкое.
1. Microstructures and properties of high-entropy alloys / Y. Zhang [et al.] // Progress in materials science. - 2014. - V. 61. - P. 1-93.
2. High-entropy alloys - a new era of exploration / J.-W. Yeh [et al.] // Materials science forum. - 2007. - V. 560. - P. 1-9.
3. Киреева И. В. Пластическая деформация монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей и ГЦК-высокоэнтропийных сплавов / И. В. Киреева, Ю. И. Чумляков. - Т.: Издательство НТЛ, 2018. - 200 с.
4. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy / F. Otto [et al.] // Acta materialia. - 2013. - V. 61, № 15. - P. 5743-5755.
5. Orientation and temperature dependence of a planar slip and twinning in single crystals of Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy / I.V. Kireeva [et al.] // Materials science and engineering: A. - 2018. - V. 737. - P. 47-60.
6. A precipitation-hardened high-entropy alloy with outstanding tensile properties / J.Y. He [et al.] // Acta materialia. - 2016. - V. 102. - P. 187-196.
7. Thermal stability and coarsening of coherent particles in a precipitation-hardened (NiCoFeCr)94Ti2Al4 high-entropy alloy / Y.Y. Zhao [et al.] // Acta materialia. - 2018. - V. 147. - P. 184-194.
8. Effect of y'- phase particles on the orientation and temperature dependence of the mechanical behaviour of Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy single crystals / I.V. Kireeva [et al.] // Materials science and engineering: A. - 2020. - V. 772. - P. 138-147.
9. Yasuda H.Y. Dynamic strain aging of Al0.3CoCrFeNi high entropy alloy single crystals / H.Y. Yasuda, K. Shigeno, T. Nagase // Scripta materialia. - 2015. - V. 108. - P. 80-83.
10. Mechanical properties of high-entropy alloys with emphasis on face-centered cubic alloys / Z. Li [et al.] // Progress in materials science. - 2019. - V. 102. - P. 296-345.
11. Ledbetter H. M. Elastic Properties of Metals and Alloys, I. Iron, Nickel, and Iron-Nickel Alloys / H. M. Ledbetter, R. P. Reed // Journal of physical and chemical. - 1973. - V. 2, № 3. - P. 531-618.
12. Elastic moduli and thermal expansion coefficients of medium-entropy subsystems of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy / G. Laplanche [et al.] // Journal of alloys and compounds. - 2018. - V. 746. - P. 244-255.
13. Stacking fault energy of face-centered-cubic high entropy alloys / S.F.Liu [et al.] // Intermetallics. - 2018. - V. 93. - P. 269-273.
14. Slip nucleation in single crystal FeNiCoCrMn high entropy alloy / L. Patriarca [et al.] // Scripta materialia. - 2016. - V. 112. - P. 54-57.
15. Temperature dependent stacking fault energy of FeCrCoNiMn high entropy alloy / S. Huang [et al.] // Scripta materialia. - 2015. - V. 108. - P. 44-47.
16. Tensile deformation behavior and deformation twinning of an equimolar CoCrFeMnNi high-entropy alloy / S.-H. Joo [et al.] // Materials science and engineering: A. - 2017. - V. 689. - P. 122-133.
17. Effect of cryo-deformation on structure and properties of CoCrFeNiMn high-entropy alloy / N. Stepanov [et al.] // Intermetallics. - 2015. - V. 59. - P. 8-17.
18. Otto F. Microstructural evolution after thermomechanical processing in an equiatomic single-phase CoCrFeMnNi high-entropy alloy with special focus on twin boundaries / F. Otto, N.L. Hanold, E.P. George // Intermetallics. - 2014. - V. 54. - P. 39-48.
19. Effect of Al on structure and mechanical properties of Fe-Mn-Cr-Ni- Al non-equiatomic high entropy alloys with high Fe content / N.D. Stepanov [et al.] // Journal of alloys and compounds. - 2019. - V. 770. - P. 194-203.
20. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes / J.-W. Yeh [et al.] // Advanced engineering materials. - 2004. - V. 6, № 5. - P. 299-303.
21. Yasuda H. Y. Dynamic strain aging of Al0.3CoCrFeNi high entropy alloy single crystals / H. Y. Yasuda, K. Shigeno, T. Nagase // Scripta materialia. - 2015. - V. 108. - P. 80-83.
22. Superior high tensile elongation of a single-crystal CoCrFeNiAl0.3 high-entropy alloy by Bridgman solidification / S.G. Ma [et al.] // Intermetallics. - 2014. - V. 54. - P. 104-109.
23. The Orientation Dependence of Critical Shear Stresses in Al0.3CoCrFeNi High-Entropy Alloy Single Crystals / I.V. Kireeva [et al.] // Technical Physics Letters. - 2017. - V. 43, № 7. - P. 615-618.
24. Orientation dependence of twinning in single crystalline CoCrFeMnNi high-entropy alloy / I.V. Kireeva [et al.] // Materials Science & Engineering A. - 2017. - V. 705. - P. 176-181.
25. Бернер Р. Пластическая деформация монокристаллов / Р. Бернер, Г. Кронмюллер. - М.: Мир, 1969. - 272 с.
26. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов / Р. М. Хоникомб. - М: Мир, 1972. - 408 с.
27. Скольжение и двойникование в [149]- монокристаллах высокоэнтропийного сплава / И.В. Киреева [и др.] // Известия вузов. Физика. -2016. - Т.59, № 8. - С. 106-113.
28. Mechanical properties and stacking fault energies of NiFeCrCoMn high-entropy alloy / A.J. Zaddach [et al.] // J. Metals Mater. Soc. (TMS). - 2013. - V. 65. - P. 1780-1789.
29. Twinning and critical resolved shear stresses for twinning in single crystals of high-entropy alloys / I. Kireeva [et al.] // AIP conference proceedings. - 2018. - V. 2051. - P. 1-5.
30. Twinning in [001]-oriented single crystals of CoCrFeMnNi high- entropy alloy at tensile deformation / I.V. Kireeva [et al.] // Materials science and engineering: A. - 2018. - V. 713. - P. 253-259.
31. Structure and high temperature mechanical properties of novel none quiatomic Fe-(Co, Mn)-Cr-Ni-Al-(Ti) high entropy alloys / N.D. Stepanov [et al.] // Intermetallics. - 2018. - V. 102. - P. 140-151.
32. Shear localization of fcc high-entropy alloys / M. A. Meyers [et al.] // The European physical journal conferences. - 2018. - V. 183. - P. 1-5.
33. Decomposition of the single-phase high-entropy alloy CrMnFeCoNi after prolonged anneals at intermediate temperatures / F. Otto [et al.] // Acta materialia. - 2016. - V. 112. - P. 40-52.
34. Wu Z. Nano-twin mediated plasticity in carboncontaining FeNiCoCrMn high entropy alloys / Z. Wu, C.M. Parish, H. Bei // Accepted manuscript. - 2015. - V. 224. - P. 1523-1526.
35. The effect of interstitial carbon on the mechanical properties and dislocation substructure evolution in Fe40.4Ni11.3Mn34.8Al7.5Cr6 high entropy alloys / Z. Wang [et al.] // Acta materialia. - 2016. - V. 120. - P. 228-239.
36. Optimizing the coupled effects of Hall-Petch and precipitation strengthening in a Al0.3CoCrFeNi high entropy alloy / B. Gwalani [et al.] // Materials & Design. - 2017. - V. 121. - P. 254-260.
37. Effect of thermomechanical processing on microstructure and mechanical properties of the carbon-containing CoCrFeNiMn high entropy alloy / N. D. Stepanov [et al.] // Journal of alloys and compounds. - 2017. - V. 693. - P. 394-405.
38. Precipitation behavior and its effects on tensile properties of FeCoNiCr high-entropy alloys / J.Y. He [et al.] // Intermetallics. - 2016. - V. 79. - P. 41-52.
39. Tsai K.Y. Sluggish diffusion in Co-Cr-Fe-Mn-Ni high-entropy alloys / K.-Y. Tsai, M.-H. Tsai, J.-W. Yeh // Acta materialia. - 2013. - V. 61, № 13. - P. 4887-4897.
40. Senkov O.N. Effect of aluminum on the microstructure and properties of two refractory high-entropy alloys / O.N. Senkov, S.V. Senkova, C. Woodward // Acta materialia. - 2014. - V. 68. - P. 214-228.
41. Strong grain-size effect on deformation twinning of an Al0.iCoCrFeNi high-entropy alloy / S. W. Wu [et al.] // Materials research letters. - 2017. - V. 5, № 4. - P. 276-283.
42. Formation of ultrafine-grained microstructure in Al0.3CoCrFeNi high entropy alloys with grain boundary precipitates / H. Y. Yasuda [et al.] // Materials letters. - 2017. - V. 199. - P. 120-123.
43. Bonisch M. Hardening by slip-twin and twin-twin interactions in FeMnNiCoCr / M. Bonisch, Y. Wu, H. Sehitoglu // Acta materialia. - 2018. - V. 153. - P. 391-403.
44. Киреева И.В. Механизмы деформации и разрушения монокристаллов высокоазотистых аустенитных нержавеющих сталей: дис. ... канд. физ. - мат. наук / И.В. Киреева. - Томск, 1994. - 277 с.
45. Goodchild D. Plastic deformation and phase transformation in textured austenitic stainless steel / D. Goodchild, W. T. Roberts, D. V. Wilson // Acta metallurgica. - 1970. - V. 18, № 11. - P. 1137-1145.
46. Коротаев А. Д. Ориентационная зависимость критических скалывающих напряжений двойникования в монокристаллах Cu-Ti-Al / А. Д. Коротаев, Ю. И. Чумляков, А. М. Ли // Физика металлов и металловедение. - 1986. - Т. 61, № 1. - С. 180-187.
47. The orientational dependence of critical shear stresses in single crystals of high-strength austenitic steels / Y. I. Chumlyakov [et al.] // Doklady Physics. - 1997. - V. 42, № 1. - P. 18-21.
48. High-strength behavior of the Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy single crystals / I.V. Kireeva [et al.] // Metals. - 2020. - V. 10, № 9. - P. 1149¬1160.
49. The effect of alloying on the mechanical properties of single crystals of high-entropy alloys / Z. Pobedennaya [et al.] // AIP conference proceedings. - 2020. - V. 2310. - P. 1-5.