«Плато» на температурной зависимости критического напряжения сдвига в бинарных и поликомпонентных твёрдых растворах и в чистых металлах

С. А. Фирстов, Т. Г. Рогуль

Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Академика Кржижановского, 3, 03142 Киев, Украина

Получена: 30.08.2021; окончательный вариант - 22.10.2021. Скачать: PDF

Одним из наиболее интересных результатов, полученных при изучении механических свойств бинарных и поликомпонентных твёрдых растворов (высокоэнтропийных сплавов (ВЭС)), является наличие протяжённого атермического упрочнения, которое приводит к появлению характерного «плато» на кривой температурной зависимости критического напряжения сдвига $\tau_{\textrm{кр}}$($T$) (или соответствующего предела текучести $\sigma_{0,2}$($T$)) при температуре выше (0,2–0,35)$T_{\textrm{пл}}$. С точки зрения создания новых материалов, способных выдерживать механические нагрузки при высоких температурах, выяснение механизмов появления такого «плато» является крайне актуальным. В представленной работе рассмотрены существующие представления об особенностях температурной зависимости критического напряжения сдвига в бинарных и поликомпонентных твёрдых растворах и в чистых металлах. Показано, что существование «плато» на зависимости $\tau_{\textrm{кр}}$($T$) в твёрдых растворах и в чистых металлах при указанных температурах есть, по сути, аномальным, так как при повышении температуры имеет место заметное уменьшение их модуля Юнга, что соответственно должно приводить и к уменьшению критического напряжения сдвига $\tau_{\textrm{кр}}$. Проведённый авторами анализ свидетельствует, что фактором, который компенсирует связанное с уменьшением модуля упругости снижение $\tau_{\textrm{кр}}$, в чистых металлах является рост средних квадратичных смещений атомов из идеальных положений в кристаллической решётке в результате линейного увеличения динамических искажений с повышением температуры. В поликомпонентных твёрдых растворах, кроме увеличения средних квадратичных смещений атомов, на зависимость $\tau_{\textrm{кр}}$($T$) в области температур, где наблюдается «плато», также могут иметь влияние эффекты, подобные динамическому деформационному старению, сопровождающиеся неодинаковой подвижностью атомов различных элементов. Полученные результаты могут быть использованы для выбора элементного состава конкурентоспособных по сравнению с известными традиционными сплавами многокомпонентных жаропрочных сплавов.

Ключевые слова: температурная зависимость критического напряжения сдвига, бинарные и поликомпонентные твёрдые растворы, модуль Юнга, атермическое упрочнение.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v44/i01/0127.html

PACS: 62.20.D-, 62.20.fg, 81.05.Bx, 81.40.Lm, 81.40.Np


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. S. A. Firstov, V. F. Gorban’, N. A. Krapivka, E. P. Pechkovskij, N. I. Danilenko, and M. V. Karpec, Vestnik SamGTU. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki (2009) (in Russian).
  2. Praveen Sathiyamoorthi and Kim Hyoung Seop, Adv. Eng. Mater., 1: 1700645 (2017). Crossref
  3. H. Zhang, Y. Zhao, S. Huang, S. Zhu, W. Fu, and D. Li, Materials, 12, No. 2: 720 (2019). Crossref
  4. Y. Chen, Y. Li, X. Cheng, C. Wu, B. Cheng, and Z. Xu, Materials, 11, No. 2: 208 (2018). Crossref
  5. O. N. Senkov, G. B. Wilks, D. B. Miracle, C. P. Chuang, and P. K. Liaw, Intermetallics, 18: 1758 (2010). Crossref
  6. D. B. Miracle and O. N. Senkov, Acta Mater., 122: 448 (2017). Crossref
  7. J. W. Yeh, S. K. Chen, S. J. Lin, J. Y. Gan, T. S. Chin, T. T. Shun, C. H. Tsau, and S. Y. Chang, Adv. Eng. Mat., 6: 299 (2004). Crossref
  8. J. W. Yeh, Y. L. Chen, S. J. Lin, and S. K. Chen, Mater. Sci. Forum, 560: 1 (2007). Crossref
  9. M.-H. Tsai, Entropy, 15: 5338 (2013). Crossref
  10. S. A. Firstov, V. F. Gorban, N. A. Krapivka, E. P. Pechkovskij, N. I. Danilenko, and M. V. Karpets’, Vestnik SamGTU. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 19 (2009). (in Russian).
  11. M. V. Karpets’, O. M. Mislivchenko, O. S. Makarenko, N. A. Krapivka, V. F. Gorban, and S. Yu. Makarenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 36, No. 6: 829 (2014) (in Russian).
  12. O. N. Senkov, G. B. Wilks, J. M. Scott, and D. B. Miracle, Intermetallics, 19, Iss. 5: 698 (2011). Crossref
  13. Yu. V. Milman and V. I. Trefilov, Mehanizm Razrusheniya Metallov (Kiev: Naukova Dumka: 1966), p. 59 (in Russian).
  14. V. I. Trefilov, Yu. V. Milman, and S. A. Firstov, Fizicheskie Osnovy Prochnosti Tugoplavkikh Metallov (Kyiv: Naukova Dumka: 1975) (in Russian).
  15. H. Konrad, Struktura i Mehanicheskie Svoystva Metallov (Moccow: Metallurgiya: 1967), p. 225 (in Russian).
  16. R. L Fleischer, The Strengthening of Metals (Ed. D. Peckner) (New York: Reinhold Publishing Corp.: 1964).
  17. S. A. Firstov and T. G. Rogul’, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 1: 33 (2017) (in Russian). Crossref
  18. S. A. Firstov and Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 2: 219 (2018) (in Russian).
  19. S. A. Firstov and G. F. Sarzhan, Sbornik Nauchnykh Trudov ‘Elektronnaya Mikroskopiya i Prochnost’ Materialov’, 20: 71 (2014) (in Russian).
  20. P. Haazen, Fizicheskoe Metallovedenie (Eds. R. U. Kan and P. Haazen) (Moscow: Metallurgiya: 1987), vol. 3, p. 187 (in Russian).
  21. Z. Guo, N. Saunders, J. P. Schillé, and A. P. Miodownik, MRS International Materials Research Conference (June 20, 2008, Chongqing, China), p. 9.
  22. J. R. Stephens and W. R. Witzke, NASA Scientific and Technical Publication (Washington, D.C.: Lewis Research Center National Aeronautics and Space Administration: 1976).
  23. N. F. Mott and F. R. N. Nabarro, Rep. Conf. on Strength of Solids (London: 1948), p. 1.
  24. Zh. Fridel’, Dislokatsii (Moscow: Mir: 1967) (in Russian).
  25. R. Labusch, phys. status solidi, 41: 659 (1970). Crossref
  26. H. Suzuki, Strength of Metals and Alloys (Ed. H. J. McQueen) (Toronto: Pergamon: 1986).
  27. S. A. Firstov, T. G. Rogul’, N. A. Krapivka, S. S. Ponomar’ov, V. V. Kovilyav, and M. V. Karpets’, Deformatsiya i Razrushenie Materialov, 2: 9 (2013) (in Russian).
  28. A. A. Rusakov, Rentgenografiya Metallov (Moscow: Atomizdat: 1977) (in Russian).
  29. Norihiko L. Okamoto and Katsushi Tanaka, AIP Advances, 6, No.12: 125008-1 (2016). Crossref
  30. O. V. Sobol’, V. F. Gorban’, M. O. Krapivka, T. G. Rogul’, and S. O. Firstov, Poroshkovaya Metalurgiya, 11/12: 127 (2020) (in Russian)
  31. O. B. Perevalova, A. V. Panin, and E. O. Tyurin, Fazovye Perekhody, Uporyadochennye Sostoyaniya i Novye Materialy, 28 (2013) (in Russian).
  32. S. A. Firstov, V. F. Gorban’, N. A. Krapivka, E. P. Pechkovskij, and A. V. Samelyuk, Deformatsiya i Razrushenie Materialov i Nanomaterialov (Moscow: IMET RAN: 2011) (in Russian).
  33. S. A. Firstov, V. F. Gorban’, N. A. Krapivka, E. P. Pechkovskij, and A. L. Eremenko, Kompozity i Nanomaterialy, 3(6): 125 (2014) (in Russian).
  34. O. Boser, Metall. Mater. Trans. B, 3: 843 (1972). Crossref
  35. T. E. Mitchell, Progr. Appl. Mater. Res., 6: 117 (1964).
  36. P. Haasen, Z. Metallk., 55: 55 (1964). Crossref
  37. R. A. Varin, K. Kurzydlowski, and K. Tangri, Mater. Sci. Eng., 80: L5 (1986). Crossref
  38. D. Zakarian, A. Khachatrian, and S. Firstov, Metal Powder Rep., 74: 204 (2019). Crossref
  39. B. M. Drapkin, Izv. AN SSSR. Metally, 3: 193 (1980) (in Russian).
  40. V. S. Zolotorevskij, Mekhanicheskie Svojstva Metallov: Uchebnik dlya Vuzov (Moscow: Metallurgiya: 1983) (in Russian).
  41. R. Carroll, C. Lee, C.-W. Tsai, J.-W. Yeh, J. Antonaglia, B. A. W. Brinkman, M. LeBlanc, X. Xie, S. Chen, P. K. Liaw, and K. A. Dahmen, Sci. Rep., 5: 16997 (2015). Crossref
  42. B. Wang, X. Huang, A. Fu, Y. Liu, and B. Liu, Mater. Sci. Eng. A, 726: 37 (2018). Crossref
  43. I. Nikulin, R. Kaibyshev, and V. Skorobogatykh, J. Phys.: Conf. Ser., 240: 012071 (2010). Crossref