Металлический сплав, прочный и пластичный при криогенных температурах

Источник: Physorg

Новая концепция дизайна металлических сплавов — «сплавы с высокой энтропией» — привела к созданию материала, прочность и пластичность которого при криогенных температурах не снижается, а повышается. Мультиэлементный сплав был синтезирован и прошел испытания в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Окриджской Национальной лаборатории США. Как отмечает один из авторов исследования г-н Роберт Ритчи, сплав CrMnFeCoNi содержит пять основных элементов, а не один доминирующий с незначительным количеством других. И, несмотря на присутствие металлов с разной кристаллической структурой, сплав кристаллизуется как однофазное твердое тело. Прочность сплава на разрыв превышает 1 ГПа, а значение ударной вязкости выше, чем у большинства существующих сплавов.

Смешивание двух металлов, позволяющее получить сплав с новыми свойствами, известно человечеству не одно тысячелетие. Но традиционные сплавы всегда имеют один доминирующий элемент, а содержание добавочных элементов намного ниже. И часто они требуют дополнительной механической обработки. Сплавы высокой энтропии представляют собой радикальный отход от традиции. Они получают свои свойства не от доминирующего элемента и не от дополнительной обработки. Основная идея новой концепции состоит в том, что конфигурационная энтропия возрастает с увеличением числа легирующих элементов. Эта энтропия противодействует склонности к образованию композита и стабилизирует сплав в однофазном виде, похожем на чистый металл. Хотя сплавы с высокой энтропией известны уже около 10 лет, но только недавно их качество стало достаточным для научного изучения.

Группа специалистов Окриджской национальной лаборатории получила образцы сплава CrMnFeCoNi (хром, марганец, железо, кобальт и никель) высокого качества при помощи технологий дуговой плавки и литья под давлением. Толщина листов составила около 10 мм. После изучения прочностных характеристик и микроструктуры образцов, они были отосланы в Национальную лабораторию Лоуренса в Беркли, для анализа ударной вязкости и прочности на разрыв. Г-н Ритчи и его коллеги предполагали, что однофазные сплавы с высокой энтропией идеально подходят для криогенных приложений (к примеру, для изготовления емкостей для хранения сжиженных газов). Углубленный анализ механических характеристик сплава показал замечательные результаты. Прочность на разрыв и ударная вязкость сплава замерялись при различных температурах, начиная от комнатной, и заканчивая температурой в 77 К (температура жидкого азота). Большинство металлов и сплавов при таком холоде теряют пластичность и становятся хрупкими.

Но у нового сплава пластичность и прочность при криогенных температурах даже увеличились. Ученые предполагают, что это явление связано с феноменом «нано-двойников», когда в процессе деформации атомные механизмы в соседних кристаллических областях формируют зеркальные отражения друг друга. «Нано-двойники» создаются, когда материал подвергается пластической деформации при криогенных температурах. Г-н Ритчи поясняет, что данный феномен представляет собой механизм пластичности, который дополняет известный механизм плоского скольжения дислокаций (наблюдается в металлах и сплавах при комнатной температуре). Результатом феномена «нано-двойников» является непрерывное деформационное упрочнение, которое подавляет локализованные деформации и предупреждает разрушения. Г-н Ритчи отмечает, что механические свойства CrMnFeCoNi и других сплавов с высокой энтропией еще не оптимизированы, и в будущем они могут показать еще более высокие результаты.