Экстремальные нагрузки вызвали появление аморфных фаз в высокоэнтропийном сплаве

Физики заметили необычное поведение многокомпонентных сплавов при деформации. Выяснилось, что при экстремальной угловой нагрузке в кристаллической структуре металла образуется аморфная фаза. Это очень необычное явление для сплавов, а в случае с многокомпонентными — наблюдается впервые. Статья опубликована в Science Advances.

Высокоэнтропийные сплавы, разработанные независимо Брайаном Кантором (Brian Cantor) и Йен-Веем Йе (Jien-Wei Yeh) в 2004 году, представляют собой смесь из не менее пяти металлов, содержание которых примерно одинаково. Поэтому иногда их называют эквиатомными высокоэнтропийными сплавами. Известно, что такие сплавы демонстрируют необычные для металлов и известных сплавов свойства. Например, при низких температурах они проявляют такую же или даже повышенную прочность, тогда как обычные сплавы становятся хрупкими и их прочность заметно падает. Помимо этого, высокоэнтропийные сплавы заметно выигрывают у обычных в прочности и пластичности, и как результат, в 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.

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.

Егор Длин