На иллюстрации: Схематическое изображения деформационных эффектов, реализующихся в металлах. Shiteng Zhao / Science Advances. Физики зафиксировали аномальное поведение многокомпонентных сплавов при воздействии деформации. Было установлено, что под экстремальным угловым давлением во всей кристаллической решетке выбранного металла формируется аморфная фаза. Данное явление является весьма нетипичным для сплавов, а в случае с многокомпонентными – наблюдается впервые. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances. Высокоэнтропийные сплавы, независимо разработанные Брайаном Кантором и Йен-Веем Йе в 2004 году, представляют собой смесь из не менее пяти металлов с приблизительно равным содержанием. Известно, что такие сплавы демонстрируют уникальные свойства, отличающиеся от свойств обычных металлов и сплавов. Например, при низких температурах они сохраняют высокую прочность или даже превосходят ее, в то время как традиционные сплавы становятся хрупкими и теряют прочность.
Схема образования аморфной фазы при деформации кристалла. Shiteng Zhao / Science Advances
Кроме того, высокоэнтропийные сплавы значительно превосходят обычные сплавы по прочности и пластичности, что приводит к повышенной устойчивости к деформации.
Согласно теории пластичности, есть три механизма пластической деформации: дислокация, двойникование и фазовое превращение. Дислокация возникает при частичном сдвиге поверхности внутри металла, фазовое превращение — при возникновении новой фазы с другим кристаллическим строением. Двойникование — это возникновение кристалла в кристалле за счет вращения внутренних фрагментов металла относительно всего образца. Помимо этих механизмов, существует еще один, более редкий — аморфное превращение. Он заключается в образовании аморфной фазы в кристаллической структуре металла. Описание таких явлений и оценка их влияния на механические свойства потенциального конструкционного материала — важное направление металлургии и смежных дисциплин.
Группа ученых под руководством Шитенга Жао (Shiteng Zhao) из Калифорнийского университета Беркли использовала высокоэнтропийный сплав из хрома, железа, марганца, кобальта и никеля для доказательства существования аморфной фазы при сильных деформациях. Перед самим экспериментом физики провели исследование исходных образцов сплава, чтобы увидеть его изначальное состояние. На дифракционных снимках отраженных электронов и изображениях просвечивающего электронного микроскопа видно множество дислокаций и плоскостей сдвига, которые получены в результате штамповки образцов. Для тестов были выбраны три режима нагрузки: одноосный квазистатический (10-3 секунд-1), одноосный динамический (1,7×103 секунд-1) и динамического сдвига (6,0×105 секунд-1). Для испытания первых двух режимов использовались образцы цилиндрической формы. Для испытания экстремальной нагрузки динамического сдвига использовался образец в форме шляпы. Как и ожидалось, прочность образца возрастает с ростом нагрузки (10-3 секунд-1 < 1,7×103 секунд-1 < 6,0×105 секунд-1). Это интересное свойство было продемонстрировано на примере похожего сплава. Помимо этого образцы демонстрируют очень высокую твердость в диапазоне от одного до двух гигапаскалей: при изначальном уровне внутреннего напряжения равном 0,8 условных единиц, после одноосных нагрузок он увеличился только до 0,95.
Изображения исходных образов сплава: видны плоскости сдвига и дислокации. Shiteng Zhao / Science Advances
Схемы испытаний одноосных нагрузок (D) и нагрузок сдвига (Е). Shiteng Zhao / Science Advances
Изображения образца после испытания динамического сдвига: видны области двойникования, фазового превращения (hcp) и аморфной фазы. Shiteng Zhao / Science Advances
В то же время, при применении нагрузки динамического сдвига, в образце наблюдался целый ряд деформационных эффектов и в том числе аморфное превращение. Авторы отмечают отсутствие дефектов внутри самой аморфной фазы, что может свидетельствовать о ее повышенной твердости относительно остального объема. Таким образом, при применении экстремальной сдвиговой нагрузки, в сплаве наблюдаются четыре типа пластической деформации, в том числе редкое аморфное превращение, которое впервые зарегистрировано для сплавов этого типа. Свойства, которые демонстрируют высокоэнтропийные сплавы, могут быть очень полезны в конструкционных материалах, особенно при низких температурах, где все остальные сплавы становятся хрупкими.
Разработки сплавов с необычными свойствами представляют все больший интерес, особенно учитывая развитие технологий 3D-печати. Ранее ученые уже научились печатать конструкции из алюминиевых сплавов. А немецкие физики даже смогли воспроизвести дамасскую сталь.
Автор: Егор Длин
Источник: https://nplus1.ru/
