«Плато» на температурній залежності критичного напруження зсуву в бінарних і полікомпонентних твердих розчинах та в чистих металах

С. О. Фірстов, Т. Г. Рогуль

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Академіка Кржижановського, 3, 03142 Київ, Україна

Отримано: 30.08.2021; остаточний варіант - 22.10.2021. Завантажити: PDF

Одним із найцікавіших результатів, одержаних у процесі вивчення механічних властивостей бінарних і полікомпонентних твердих розчинів (високоентропійних стопів (ВЕС)), є наявність протяжного атермічного зміцнення, що зумовлює появу характерного «плато» на кривій температурної залежності критичного напруження зсуву $\tau_{\textrm{кр}}$($T$) (або відповідної межі плинності $\sigma_{0,2}$($T$)) за температури вище (0,2–0,35)$T_{\textrm{пл}}$. З точки зору створення нових матеріалів, здатних витримувати механічні навантаження за високих температур, встановлення механізмів появи такого «плато» є вкрай актуальним. У представленій роботі розглянуто існуючі уявлення щодо особливостей температурної залежності критичного напруження зсуву в бінарних і полікомпонентних твердих розчинах порівняно з чистими металами. Запропоновано новий підхід для встановлення природи атермічного «плато» на кривих температурних залежностей критичного напруження зсуву $\tau_{\textrm{кр}}$($T$). Показано, що існування «плато» на залежності $\tau_{\textrm{кр}}$($T$) у твердих розчинах і в чистих металах за вказаних температур є по суті аномальним, оскільки за підвищення температури має місце помітне зменшення їхнього модуля Юнга, що відповідно повинно призводити і до зменшення критичного напруження зсуву $\tau_{\textrm{кр}}$. Проведений авторами аналіз свідчить, що фактором, який компенсує пов’язане зі зменшенням модуля пружності очікуване зниження $\tau_{\textrm{кр}}$, у чистих металах є зростання середніх квадратичних зміщень атомів з ідеальних положень в кристалічній ґратниці в результаті лінійного збільшення динамічних спотворень з підвищенням температури. У полікомпонентних твердих розчинах, окрім збільшення середніх квадратичних зміщень атомів, на залежність $\tau_{\textrm{кр}}$($T$) в області температур, де спостерігається «плато», також можуть мати вплив ефекти, подібні до динамічного деформаційного старіння, що супроводжуються неоднаковою рухливістю атомів різних елементів. Одержані результати можуть бути використані для вибору елементного складу багатокомпонентних жароміцних стопів, які будуть конкурентоспроможними у порівнянні з відомими традиційними стопами.

Ключові слова: температурна залежність критичного напруження зсуву, бінарні та полікомпонентні тверді розчини, модуль Юнга, атермічне зміцнення.

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

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


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  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