Екстремальні навантаження викликали появу аморфних фаз у високоентропійному сплаві

Фізики помітили незвичайну поведінку багатокомпонентних сплавів при деформації. З'ясувалося, що при екстремальному кутовому навантаженні в кристалічній структурі металу утворюється аморфна фаза. Це дуже незвичайне явище для сплавів, а у випадку з багатокомпонентними - спостерігається вперше. Стаття опублікована в.

Високоентропійні сплави, розроблені незалежно Брайаном Кантором (Brian Cantor) і Єн-Веєм Йе (Jien-Wei Yeh) в 2004 році, являють собою суміш з не менше п'яти металів, вміст яких приблизно однаковий. Тому іноді їх називають еквіатомними високоентропійними сплавами. Відомо, що такі сплави демонструють незвичайні для металів і відомих сплавів властивості. Наприклад, при низьких температурах вони проявляють таку ж або навіть підвищену міцність, тоді як звичайні сплави стають крихкими і їх міцність помітно падає. Крім цього, високоентропійні сплави помітно виграють у звичайних в міцності і пластичності, і як результат, в стійкості до деформації.

Відповідно до теорії пластичності, є три механізми пластичної деформації: дислокація, двійкування і фазове перетворення. Дислокація виникає при частковому зрушенні поверхні всередині металу, фазове перетворення - при виникненні нової фази з іншою кристалічною будовою. Двійкування - це виникнення кристала в кристалі за рахунок обертання внутрішніх фрагментів металу відносно всього зразка. Крім цих механізмів, існує ще один, більш рідкісний - аморфне перетворення. Він полягає в утворенні аморфної фази в кристалічній структурі металу. Опис таких явищ та оцінка їх впливу на механічні властивості потенційного конструкційного матеріалу - важливий напрямок металургії та суміжних дисциплін.

Група вчених під керівництвом Шитенга Жао (Shiteng Zhao) з Каліфорнійського університету Берклі використовувала високоентропійний сплав з хрому, заліза, марганцю, кобальту і нікелю для доказу існування аморфної фази при сильних деформаціях. Перед самим експериментом фізики провели дослідження вихідних зразків сплаву, щоб побачити його початковий стан. На дифракційних знімках відображених електронів і зображеннях просвічуючого електронного мікроскопа видно безліч дислокацій і площин зрушення, які отримані в результаті штампування зразків. Для тестів було обрано три режими навантаження: одноосний квазістатичний (10^-3 секунд^-1), одноосний динамічний (1,7 ст.1 ¹⁰3 секу^нд-1) і динамічного зрушення (6,0 ^ст.1 105 се^кунд-1). Для випробування перших двох режимів використовувалися зразки циліндричної форми. Для випробування екстремального навантаження динамічного зрушення використовувався зразок у формі капелюха. Як і очікувалося, міцність зразка зростає зі зростанням навантаження ⁽¹0-3 се^кунд^-1 < 1,⁷ ″ 103 ^секу^нд-1 < ^{″ 6,}0 10⁵ секунд-1 ″). Ця цікава властивість була продемонстрована на прикладі схожого сплаву. Крім цього зразки демонструють дуже високу твердість в діапазоні від одного до двох гігапаскалей: при початковому рівні внутрішньої напруги рівному 0,8 умовних одиниць, після одноосних навантажень він збільшився тільки до 0,95.

У той же час, при застосуванні навантаження динамічного зрушення, в зразку спостерігався цілий ряд деформаційних ефектів і в тому числі аморфне перетворення. Автори відзначають відсутність дефектів всередині самої аморфної фази, що може свідчити про її підвищену твердість щодо решти обсягу. Таким чином, при застосуванні екстремального зрушення, в сплаві спостерігаються чотири типи пластичної деформації, в тому числі рідкісне аморфне перетворення, яке вперше зареєстровано для сплавів цього типу. Властивості, які демонструють високоентропійні сплави, можуть бути дуже корисні в конструкційних матеріалах, особливо при низьких температурах, де всі інші сплави стають крихкими.

Розробки сплавів з незвичайними властивостями становлять все більший інтерес, особливо враховуючи розвиток технологій 3D-друку. Раніше вчені вже навчилися друкувати конструкції з алюмінієвих сплавів. А німецькі фізики навіть змогли відтворити дамаську сталь.