«Мы исследовали CrMnFeCoNi, высокоэнтропийный сплав, который содержит пять основных элементов, а не один доминирующий», — говорит Роберт Ричи, материаловед из отдела материаловедения лаборатории Беркли. «Наши испытания показали, что, несмотря на то, что этот сплав содержит несколько элементов с различными кристаллическими структурами, этот сплав кристаллизируется как однофазное гранецентрированное кубическое твердое тело с исключительной устойчивостью к повреждениям, пределом прочности при растяжении выше одного гигапаскаль и значениями вязкости разрушения, которые находятся за пределами диаграммы, превышая указанные практически всех других металлических сплавов ».Ричи является автором-корреспондентом вместе с Иасо Джорджем из ORNL статьи в Science, в которой описывается это исследование. Работа озаглавлена «Устойчивый к разрушению высокоэнтропийный сплав для криогенных применений». Соавторы: Бернд Глудовац, Антон Хоэнвартер, Дхирадж Катур и Эдвин Чанг.
Традиция смешивания двух металлов вместе для создания сплава, обладающего свойствами, отсутствующими у его составляющих элементов по отдельности, насчитывает тысячи лет. В 4-м тысячелетии до нашей эры люди начали добавлять олово, твердый металл, к меди, мягкому и относительно легкому в обработке металлу, чтобы получить бронзу, сплав, намного более прочный, чем медь. Позже было обнаружено, что добавление углерода к железу дает более прочную сталь, а добавление никеля и хрома к смеси дает сталь, стойкую к коррозии.
Традиционные сплавы неизменно содержат один доминирующий компонент с примесью второстепенных элементов, и часто для механических характеристик требуется наличие второй фазы.«Сплавы с высокой энтропией представляют собой радикальный отход от традиций, — говорит Ричи, — поскольку они не получают свои свойства из одного доминирующего компонента или из второй фазы.
Идея, лежащая в основе этой концепции, заключается в том, что конфигурационная энтропия увеличивается с увеличением числа легирующие элементы, противодействующие склонности к образованию соединений и стабилизирующие эти сплавы в одну фазу, как чистый металл ».Хотя высокоэнтропийные сплавы существуют уже более десяти лет, только недавно качество этих сплавов стало достаточным для научных исследований. Джордж и его исследовательская группа в ORNL объединили элементарные исходные материалы высокой чистоты с процессом дуговой плавки и литья по каплям, чтобы получить высококачественные образцы CrMnFeCoNi (хром, марганец, железо, кобальт и никель) в листах толщиной примерно 10 миллиметров.
После определения характеристик этих образцов на растяжение и микроструктуры, команда ORNL отправила их Ричи и его исследовательской группе для определения характеристик разрушения и ударной вязкости.Ричи, который является заслуженным профессором кафедры инженерии Х.Т. и Джесси Чуа в Калифорнийском университете в Беркли, является всемирно признанным специалистом в области механического поведения материалов.
«Поскольку высокоэнтропийные сплавы являются однофазными, мы пришли к выводу, что они идеально подходят для криогенных применений, таких как резервуары для хранения сжиженного природного газа, водорода и кислорода», — говорит он. «Наша работа является первым углубленным исследованием, которое характеризует свойства вязкости разрушения этого класса сплавов, и, о чудо, они впечатляют!»Значения прочности на разрыв и вязкости разрушения были измерены для CrMnFeCoNi от комнатной температуры до 77 Кельвина, температуры жидкого азота.
Зарегистрированные значения были одними из самых высоких для любого материала. То, что эти значения увеличиваются вместе с пластичностью при криогенных температурах, является огромным отклонением от подавляющего большинства металлических сплавов, которые теряют пластичность и становятся более хрупкими при более низких температурах. Ричи и Джордж считают, что ключом к замечательной криогенной прочности, пластичности и ударной вязкости CrMnFeCoN является явление, известное как «нанодвойникование», при котором во время деформации расположение атомов в соседних кристаллических областях формирует зеркальное отображение друг друга.
«Эти нанодвойники создаются, когда материал подвергается пластической деформации при криогенных температурах», — говорит Ричи. «Это представляет собой механизм пластичности в дополнение к дислокационной активности плоского скольжения, которой большинство металлов подвергаются при температуре окружающей среды. Результатом деформации нанодвойникования является непрерывное деформационное упрочнение, которое подавляет локализованную деформацию, вызывающую преждевременное разрушение».Ричи отмечает, что механические свойства CrMnFeCoNi и других высокоэнтропийных сплавов еще предстоит оптимизировать.
«Эти высокоэнтропийные сплавы могут иметь даже лучшие свойства», — говорит он.