Preview

Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск

Высокоэнтропийные сплавы: структура, механические свойства, механизмы деформации и применение

https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-249-258

Полный текст:

Аннотация

Выполнен краткий обзор публикаций зарубежных исследователей по изучению структуры, фазового состава и свойств пятикомпонентных высоко энтропийных сплавов (ВЭС) в разных структурных состояниях в широком диапазоне температур за последние два десятилетия. Высокоэнтропийные сплавы привлекают внимание ученых уникальными и необычными свойствами. Отмечены трудности проведения сравнительного анализа и обобщения данных из-за различных методов получения ВЭС, режимов механических испытаний на одноосное сжатие и растяжение, размеров и формы образцов, видов термических обработок, фазового состава (ОЦК и ГЦК решетки). Отмечено, что ВЭС с ОЦК решеткой обладают преимущественно высокой прочностью и низкой пластичностью, а ВЭС с ГЦК решеткой – низкой прочностью и повышенной пластичностью. Показано, что значительное повышение свойств ВЭС FeMnCoCrNi с ГЦК решеткой может быть достигнуто легированием бором и оптимизацией параметров термомеханической обработки при легировании углеродом в количестве 1 % (ат.). Проанализированные в температурном интервале -196 ÷ 800 °C деформационные кривые свидетельствуют о росте предела текучести с уменьшением размера зерна от 150 до 5 мкм. При снижении температуры предел текучести и относительное удлинение возрастают. Эффект влияния скорости деформации на механические свойства заключается в росте предела прочности и текучести, наиболее заметно проявляется при больших скоростях 10-2 ÷ 103 с-1. Отмечены особенности деформационного поведения ВЭС в моно- и поликристаллическом состояниях. Комплекс высоких эксплуатационных свойств ВЭС обеспечивает возможность их применения в различных отраслях промышленности. Отмечены перспективы использования энергетических обработок для модифицирования поверхностных слоев и дальнейшего повышения свойств ВЭС.

Об авторах

К. А. Осинцев
Сибирский государственный индустриальный университет; Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
Россия

Кирилл Александрович Осинцев, аспирант кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения

654007, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
443086, Самара, Московское ш. 34



В. Е. Громов
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

Виктор Евгеньевич Громов, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

654007, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



С. В. Коновалов
Сибирский государственный индустриальный университет; Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
Россия

Сергей Валерьевич Коновалов, д.т.н., профессор, Сибирский государственный индустриальный университет, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

654007, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
443086, Самара, Московское ш. 34



Ю. Ф. Иванов
Институт сильноточной электроники СО РАН
Россия

Юрий Федорович Иванов, д.ф.-м.н., профессор, Сибирский государственный индустриальный университет, главный научный сотрудник, Институт сильноточной электроники СО РАН

634055, Томск, пр. Академический 2/3



И. А. Панченко
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

Ирина Алексеевна Панченко, к.т.н., доцент кафедры менеджмента качества и инноваций

654007, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



Список литературы

1. Yeh J.W., Chen S.K., Lin S.J., Gan J.Y., Chin T.S., Shun T.T., Tsau C.H., Chang S.Y Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes // Advanced Engineering Materials. 2004. Vol. 6. No. 5. P. 299-303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567

2. Zhang Y, Yang X., Liaw P.K. Alloy design and properties optimization of high-entropy alloys // JOM. 2012. Vol. 64. No. 7. P. 830-838. https://doi.org/10.1007/s11837-012-0366-5

3. Yeh J.W. Recent progress in high-entropy alloys // Annales de Chimie. Science des Materiaux. 2006. Vol. 31. No. 6. P. 633-648. https://doi.org/10.3166/acsm.31.633-648

4. Yeh J.W. Alloy design strategies and future trends in high-entropy alloys // JOM. 2013. Vol. 65. No. 12. P. 1759-1771. https://doi.org/10.1007/s11837-013-0761-6

5. Zhang L.S., Ma G.-L., Fu L.-C., Tian J.-Y. Recent progress in high-entropy alloys П Advanced Materials Research. 2013. Vol. 631-632. P. 227-232. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.631-632.227

6. Zhang Y, Zuo T.T., Tang Z., Gao M.C., Dahmen K.A., Liaw P.K., Lu Z.P. Microstructures and properties of high-entropy alloys // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 61. P. 1-93. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.10.001

7. Gali A., George E.P. Tensile properties of high- and medium-entropy alloys // Intermetallics. 2013. Vol. 39. P. 74-78. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.03.018

8. Cantor B., Chang I.T.H, Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 375-377. P. 213-218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257

9. Jiang L., Lu Y, Dong Y, Wang T., Cao Z., Li T. Annealing effects on the microstructure and properties of bulk high-entropy CoCrFeNiTi0 5 alloy casting ingot H Intermetallics. 2014. Vol. 44. P. 37-43. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.08.016

10. Shun T.-T., Chang L.-Y, Shiu M.-H. Microstructure and mechanical properties of multiprincipal component CoCrFeNiMox alloys // Materials Characterization. 2012. Vol. 70. P. 63-67. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2012.05.005

11. Senkov O.N., Miracle D.B. A topological model for metallic glass formation // Journal of Non-Crystalline Solids. 2003. Vol. 317. No. 1-2. P. 34-39. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(02)01980-4

12. Takeuchi A., Chen N., Wada T., Yokoyama Y, Kato H., Inoue A., Yeh J.W Pd20Pt20Cu20Ni20P20 high-entropy alloy as a bulk metallic glass in the centimeter // Intermetallics. 2011. Vol. 19. No. 10. P. 1546-1554. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.05.030

13. Singh S., Wanderka N., Murty B.S., Glatzel U., Banhart J. Decomposition in multi-component AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy // Acta Materialia. 2011. Vol. 59. No. 1. P. 182-190. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.09.023

14. George E.P., Curtin W.A., Tasan C.C. High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms // Acta Materialia. 2020. Vol. 188. P. 435-474. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.015

15. Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Materialia. 2017. Vol. 122. P. 448-511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081

16. Raghavan R., Kirchlechner C., Jaya B.N., Feuerbacher M., Dehm G. Mechanical size effects in a single crystalline equiatomic FeCiCoMnNi high entropy alloy // Scripta Materialia. 2017. Vol. 129. P. 52-55. https://doi.org/l0.1016/j.scriptamat.2016.10.026

17. Zhou Y.J., Zhang Y, Wang Y.L., Chen G.L. Solid solution alloys of AlCoCrFeNiTix with excellent room-temperature mechanical properties // AIP Applied Physics Letters. 2007. Vol. 90. Article 181904. https://doi.org/10.1063/1.2734517

18. Qiao J.W, Ma S.G., Huang E.W, Chuang C.P., Liaw, P.K., Zhang Y. Microstructural characteristics and mechanical behaviors of AlCoCrFeNi high-entropy alloys at ambient and cryogenic temperature H Materials Science Forum. 2011. Vol. 688. P. 419-425. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.688.419

19. Gludovatz B., Hohenwarter A., Catoor D., Chang E.H., George E.P., Ritchie R.O. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications // Science. 2014. Vol. 345. No. 6201. P. 1153-1158. https://doi.org/10.1126/science.1254581

20. Seol J.B., Bae J.W, Li Z., Han J.Ch., Kim J.G., Raabe D., Kim H.S. Boron doped ultrastrong and ductile high-entropy alloys // Acta Materialia. 2018. Vol. 151. P. 366-376. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.04.004

21. Slone C.E., Chakraborty S., Miao J., George E.P., Mills M.J., Niez- goda S.R. Influence of deformation induced nanoscale twinning and FCC-HCP transformation on hardening and texture development in medium-entropy CrCoNi alloy // Acta Materialia. 2018. Vol. 158. P. 38-52. https://doi.org/l0.1016/j.actamat.2018.07.028

22. Wu Z., Bei H., Pharr G.M., George E.P. Temperature dependence of the mechanical properties of equiatomic solid solution alloys with face-centered cubic crystal structures // Acta Materialia. 2014. Vol. 81. P. 428-441. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.08.026

23. Otto F., Dlouhy A., Somsen C., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 15. P. 5743-5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018

24. Wigley D.A. Mechanical properties of materials at low temperatures // Cryogenics. 1968. Vol. 8. No. 1. P. 3-12. https://doi.org/10.1016/S0011-2275(68)80042-6

25. Yeh J.W. Physical metallurgy of high-entropy alloys // JOM. 2015. Vol. 67. No. 10. P. 2254-226. https://doi.org/10.1007/s11837-015-1583-5

26. Okamoto N.L., Fujimoto S., Kambara Y, Kawamura M., Zhenghao M.T.C., Matsunoshita H., Tanaka K., Inui H., George E.P. Size effect, critical resolved shear stress, stacking fault energy, and solid solution strengthening in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. Article 35863. https://doi.org/10.1038/srep35863

27. Patriarca L., Ojha A., Sehitoglu H., Chumlyakov YI. Slip nucleation in single crystal FeNiCoCrMn high entropy alloy H Scripta Materia- lia. 2016. Vol. 112. P. 54—57. http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.09.009

28. Kireeva I.V., Chumlyakov Yu.L, Pobedennaya Z.V., Kuksgau- sen I.V., Karaman I. Orientation dependence of twinning in single crystalline CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 705. P. 176-181. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.08.065

29. Wu Z., Gao Y.F., Bei H. Single crystal plastic behavior of a singlephase, face-center-cubic-structured, equiatomic FeNiCrCo alloy // Scripta Materialia. 2015. Vol. 109. P. 108-112. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.07.031

30. Park J.M., Moon J., Bae J.W., Jang M.J., Park J., Lee S., Kim H.S. Strain rate effects of dynamic compressive deformation on mechanical properties and microstructure of CoCrFeMnNi high-entro- py alloy // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 719. P. 155-163. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.02.031

31. Zhang Z., Sheng H., Wang Z., Gludovatz B., Zhang Z., George E.P., Yu Q., Mao S.X., Ritchie R.O. Dislocation mechanisms and 3D twin architectures generate exceptional strength-ductility-toughness combination in CrCoNi medium-entropy alloy И Nature Communications. 2017. Vol. 8. No. 1. Article 14390. https://doi.org/10.1038/ncomms14390

32. Laplanche G., Kostka A., Horst O.M., Eggeler G., George E.P. Microstructure evolution and critical stress for twinning in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy//Acta Materialia. 2016. Vol. 118. P. 152-163. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.038

33. Varvenne C., Luque A., Curtin W.A. Theory of strengthening in fee high entropy alloys // Acta Materialia. 2016. Vol. 118. P. 164-176. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.040

34. Shaysultanov D.G., Salishchev G.A., Ivanisenko Yu.V, Zherebtsov S.V., Tikhonovsky M.A., Stepanov N.D. Novel Fe36Mn21Cr18Ni15Al10 high entropy alloy with bcc/B2 dual-phase structure // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 705. P. 756-763. https://doi.org/10.1016/j.jailcom.2017.02.211

35. Meyers M.A., Vohringer O., Lubarda V.A. The onset of twinning in metals: A constitutive description I I Acta Materialia. 2001. Vol. 49. No. 19. P. 4025-4039. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(01)00300-7

36. Zhu Y.T., Liao X.Z., Wu X.L. Deformation twinning in nanocrystalline materials // Progress in Materials Science. 2012. Vol. 57. No. 1. P. 1 -62. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2011.05.001

37. Senkov O.N., Semiatin S.L. Microstructure and properties of a refractory high- entropy alloy after cold working // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 649. P. 1110-1123. https://doi.org/10.1016/j.jailcom.2015.07.209

38. Juan Chien-Chang, Tseng Ko-Kai, Hsu Wei-Lin, Tsai Ming- Hung, Tsai Che-Wei, Lin Chun-Ming, Chen Swe-Kai, Lin Su- Jien, YehJien-Wei. Solution strengthening of ductile refractory HfMoxNbTaTiZr high-entropy alloys // Materials Letters. 2016. Vol. 175. P. 284-287. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.03.133

39. Zamora R.J., Uberuaga B.P., Perez D., Voter A.F. The modem temperature-accelerated dynamics approach // Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2016. Vol. 7. P. 87-110. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-080615-033608

40. Perez D. Uberuaga B.P., Voter A.F. The parallel replica dynamics method - coming of age // Computational Materials Science. 2015. Vol. 100. PartB.P. 90-103. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.12.011

41. Egami T., Guo W, Rack P.D., Nagase T. Irradiation resistance of multicomponent alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. 2014. Vol. 45. P. 180-183. https://doi.org/10.1007/s11661-013-1994-2

42. Kunce I., Polanski M., Bystrzycki J. Structure and hydrogen storage properties of a high entropy ZrTiVCrFeNi alloy synthesized using Laser Engineered Net Shaping (LENS) // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38. No. 27. P. 12180-12189. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.071

43. Kao Y.F., Chen S.K., Sheu J.H., Lin J.T., Lin W.E., Yeh J.W, Lin S.J., Lion Т.Н., Wang C.W. Hydrogen storage properties of multi-principal-component CoFeMnTi(x)V(y)Zr(z) alloys // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. No. 17. P. 9046-9059. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.06.012

44. Firstov S.A., Gorban’ V.F., Danilenko N.I., Karpets M.V., Andreev A.A., Makarenko E.S. Thermal stability of superhard nitride coatings from high-entropy multicomponent Ti-V-Zr-Nb-Hf alloy// Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2014. Vol. 52. P. 560-566. https://doi.org/10.1007/s11106-014-9560-z

45. Pogrebnjak A.D., Bagdasaryan A.A., Yakushchenko I.V., Beresnev V.M. The structure and properties of high-entropy alloys and nitride coatings based on them H Russian Chemical Reviews. 2014. Vol. 83. P. 1027-1061. https://doi.org/10.1070/RCR4407

46. Zaguliaev D., Gromov V, Rubannikova Y, Konovalov S., Ivanov Y, Romanov D., Semin A. Structure and phase states modification of AL-11SI-2CU alloy processed by ion-plasma jet and pulsed electron beam // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 383. Article 125246. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125246

47. Zhang C., LvP., XiaEL, Yang Z., Konovalov S., ChenX., Guan Q. The microstructure and properties of nanostructured Cr-Al alloying layer fabricated by high-current pulsed electron beam // Vacuum. 2019. Vol. 167. P. 263-270. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.06.022

48. Konovalov S.V., Komissarova LA., Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Kosino v D.E. Structural and phase changes under electropulse treatment of fatigue-loaded titanium alloy VT1-0 // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 1. P. 1300-1307. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.09.008

49. Konovalov S., Ivanov Y, Gromov V, Panchenko I. Fatigue-induced evolution of AISI 310S steel microstructure after electron beam treatment // Materials. 2020. Vol. 13. No. 20. Article 4567. https://doi.org/10.3390/ma13204567

50. Romanov D., Moskovskii S., Konovalov S., Sosnin K., Gromov V, Ivanov Y, Improvement of copper alloy properties in electro-explosive spraying of ZnO-Ag coatings resistant to electrical erosion // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 6. P. 5515-5523. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.09.019


Для цитирования:


Осинцев К.А., Громов В.Е., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Панченко И.А. Высокоэнтропийные сплавы: структура, механические свойства, механизмы деформации и применение. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2021;64(4):249-258. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-249-258

For citation:


Osintsev K.A., Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Panchenko I.A. High-entropy alloys: Structure, mechanical properties, deformation mechanisms and application. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021;64(4):249-258. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-249-258

Просмотров: 65


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)