تُظهر المركبات القائمة على HEA المقواة بالسيراميك مزيجًا ممتازًا من الخواص الميكانيكية.

CoCrFeNi عبارة عن سبيكة عالية الإنتروبيا مكعبة الشكل (fcc) مدروسة جيدًا مع ليونة ممتازة ولكن قوة محدودة. تركز هذه الدراسة على تحسين توازن القوة والليونة لهذه HEAs عن طريق إضافة كميات مختلفة من SiC باستخدام طريقة ذوبان القوس. لقد ثبت أن وجود الكروم في HEA الأساسي يسبب تحلل SiC أثناء الذوبان. وبالتالي، فإن تفاعل الكربون الحر مع الكروم يؤدي إلى تكوين كربيدات الكروم في الموقع، بينما يظل السيليكون الحر في محلول في قاعدة HEA و/أو يتفاعل مع العناصر التي تشكل قاعدة HEA لتشكيل مبيدات السيليكات. مع زيادة محتوى SiC، تتغير مرحلة البنية المجهرية بالتسلسل التالي: fcc → fcc + سهل الانصهار → fcc + رقائق كربيد الكروم → fcc + رقائق كربيد الكروم + سيليسيد → fcc + رقائق كربيد الكروم + سيليسيد + كرات جرافيت / رقائق جرافيت. تُظهر المركبات الناتجة نطاقًا واسعًا جدًا من الخواص الميكانيكية (قوة إنتاج تتراوح من 277 ميجا باسكال عند استطالة تزيد عن 60% إلى 2522 ميجا باسكال عند استطالة 6%) مقارنة بالسبائك التقليدية والسبائك ذات الإنتروبيا العالية. تُظهر بعض المركبات ذات الإنتروبيا العالية التي تم تطويرها مزيجًا ممتازًا من الخواص الميكانيكية (قوة الخضوع 1200 ميجا باسكال، والاستطالة 37٪) وتحتل مناطق لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا في مخطط استطالة إجهاد الخضوع. بالإضافة إلى الاستطالة الملحوظة، فإن صلابة وقوة الخضوع لمركبات HEA هي في نفس نطاق الزجاج المعدني السائب. ولذلك، يُعتقد أن تطوير المركبات ذات الإنتروبيا العالية يمكن أن يساعد في تحقيق مزيج ممتاز من الخواص الميكانيكية للتطبيقات الهيكلية المتقدمة.
يعد تطوير السبائك ذات الإنتروبيا العالية مفهومًا جديدًا واعدًا في علم المعادن . أظهرت السبائك ذات الإنتروبيا العالية (HEA) في عدد من الحالات مزيجًا ممتازًا من الخصائص الفيزيائية والميكانيكية، بما في ذلك الثبات الحراري العالي 3،4 استطالة فائقة اللدونة 5،6 مقاومة التعب 7،8 مقاومة التآكل 9،10،11، مقاومة ممتازة للتآكل 12،13،14 ،15 والخواص القبلية15،16،17 حتى في درجات الحرارة المرتفعة18،19،20،21،22 والخواص الميكانيكية عند درجات الحرارة المنخفضة درجات الحرارة23,24,25. عادةً ما يُعزى المزيج الممتاز من الخواص الميكانيكية في HEA إلى أربعة تأثيرات رئيسية، وهي الإنتروبيا التكوينية العالية، وتشويه الشبكة القوي، والانتشار البطيء، وتأثير الكوكتيل. يتم تصنيف HEAs عادةً على أنها أنواع FCC وBCC وHCP. يحتوي FCC HEA عادةً على عناصر انتقالية مثل Co وCr وFe وNi وMn ويظهر ليونة ممتازة (حتى في درجات الحرارة المنخفضة) ولكن بقوة منخفضة. يتكون BCC HEA عادةً من عناصر عالية الكثافة مثل W وMo وNb وTa وTi وV ولها قوة عالية جدًا ولكن ليونة منخفضة وقوة محددة منخفضة.
تمت دراسة التعديل الهيكلي المجهري لـ HEA استنادًا إلى التصنيع والمعالجة الميكانيكية الحرارية وإضافة العناصر للحصول على أفضل مزيج من الخواص الميكانيكية. يتعرض CoCrFeMnNi FCC HEA لتشوه بلاستيكي شديد بسبب الالتواء عالي الضغط، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الصلابة (520 فولت) والقوة (1950 ميجا باسكال)، ولكن تطوير البنية المجهرية النانوية (حوالي 50 نانومتر) يجعل السبيكة هشة. . لقد وجد أن دمج ليونة التوأمة (TWIP) واللدونة المستحثة بالتحول (TRIP) في CoCrFeMnNi HEAs يمنح صلابة عمل جيدة مما يؤدي إلى ليونة شد عالية، وإن كان ذلك على حساب قيم قوة الشد الفعلية. أقل من (1124 ميجا باسكال) 32. أدى تكوين بنية مجهرية ذات طبقات (تتكون من طبقة رقيقة مشوهة ونواة غير مشوهة) في CoCrFeMnNi HEA باستخدام التثقيب بالطلقات إلى زيادة في القوة، لكن هذا التحسن كان محدودًا بحوالي 700 ميجا باسكال. بحثًا عن مواد ذات أفضل مزيج من القوة والليونة، تم أيضًا دراسة تطوير HEAs متعددة المراحل وHEAs سهلة الاستخدام باستخدام إضافات العناصر غير المتكافئة 34،35،36،37،38،39،40،41. في الواقع، فقد وجد أن التوزيع الدقيق للمراحل الصلبة والناعمة في السبائك سهلة الانصهار ذات الإنتروبيا العالية يمكن أن يؤدي إلى مزيج أفضل نسبيًا من القوة والليونة .
نظام CoCrFeNi عبارة عن سبيكة عالية الإنتروبيا أحادية الطور FCC تمت دراستها على نطاق واسع. يُظهر هذا النظام خصائص تصلب العمل السريع 44 وليونة ممتازة 45، 46 في درجات الحرارة المنخفضة والعالية. تم إجراء محاولات مختلفة لتحسين قوتها المنخفضة نسبيًا (~ 300 ميجا باسكال) بما في ذلك صقل الحبوب والبنية المجهرية غير المتجانسة وهطول الأمطار واللدونة الناتجة عن التحول (TRIP) . يؤدي صقل الحبوب لمكعب HEA CoCrFeNi المكعب المتمحور حول الوجه عن طريق السحب على البارد في ظل ظروف قاسية إلى زيادة القوة من حوالي 300 MPa47.48 إلى 1.2 GPa25، ولكنه يقلل من فقدان الليونة من أكثر من 60% إلى 12.6%. أدت إضافة Al إلى HEA لـ CoCrFeNi إلى تكوين بنية مجهرية غير متجانسة، مما أدى إلى زيادة قوة الخضوع إلى 786 ميجا باسكال واستطالتها النسبية إلى حوالي 22٪ . تمت إضافة CoCrFeNi HEA مع Ti وAl لتكوين رواسب، وبالتالي تشكيل تقوية لهطول الأمطار، وزيادة قوة الخضوع إلى 645 ميجا باسكال والاستطالة إلى 39٪ . أدت آلية TRIP (التحول المكعب المكعب ← السداسي السطوح) والتوأمة إلى زيادة قوة الشد لـ CoCrFeNi HEA إلى 841 ميجا باسكال والاستطالة عند الكسر إلى 76٪ .
كما تم إجراء محاولات لإضافة تعزيزات سيراميكية إلى المصفوفة المكعبة المتمحورة حول وجه HEA لتطوير مركبات ذات إنتروبيا عالية يمكن أن تظهر مزيجًا أفضل من القوة والليونة. تمت معالجة المركبات ذات الإنتروبيا العالية عن طريق ذوبان القوس الفراغي 44، والسبائك الميكانيكية 45،46،47،48،52،53، وتلبد البلازما الشرارة 46،51،52، والضغط الساخن الفراغي 45، والضغط المتوازن الساخن 47،48 وتطوير عمليات التصنيع المضافة 43، 50. تم استخدام الكربيدات والأكاسيد والنيتريدات مثل WC44، 45، 46، Al2O347، SiC48، TiC43، 49، TiN50 وY2O351 كتعزيز للسيراميك في تطوير مركبات HEA. يعد اختيار مصفوفة HEA والسيراميك المناسبين أمرًا مهمًا بشكل خاص عند تصميم وتطوير مركب HEA قوي ومتين. في هذا العمل، تم اختيار CoCrFeNi كمادة مصفوفة. تمت إضافة كميات مختلفة من SiC إلى CoCrFeNi HEA وتمت دراسة تأثيرها على البنية المجهرية وتكوين الطور والخواص الميكانيكية.
تم استخدام معادن عالية النقاء Co وCr وFe وNi (99.95٪ بالوزن) ومسحوق SiC (نقاوة 99٪، الحجم -400 شبكة) في شكل جزيئات أولية كمواد خام لإنشاء مركبات HEA. تم وضع التركيبة المتساوية الذرات لـ CoCrFeNi HEA أولاً في قالب نحاسي نصف كروي مبرد بالماء، ثم تم إخلاء الغرفة إلى 3·10-5 ملي بار. يتم إدخال غاز الأرجون عالي النقاء لتحقيق الفراغ المطلوب لصهر القوس باستخدام أقطاب التنغستن غير القابلة للاستهلاك. يتم قلب السبائك الناتجة وإعادة صهرها خمس مرات لضمان التجانس الجيد. تم تحضير مركبات عالية الإنتروبيا من تركيبات مختلفة عن طريق إضافة كمية معينة من SiC إلى أزرار CoCrFeNi متساوية الذرة الناتجة، والتي تمت إعادة تجانسها عن طريق الانقلاب وإعادة الصهر بخمسة أضعاف في كل حالة. تم قطع الزر المصبوب من المركب الناتج باستخدام EDM لمزيد من الاختبار والتوصيف. تم تحضير عينات الدراسات البنيوية المجهرية وفقاً للطرق الميتالوغرافية القياسية. أولاً، تم فحص العينات باستخدام المجهر الضوئي (Leica Microscope DM6M) مع برنامج Leica Image Analysis (LAS Phase Expert) لتحليل المرحلة الكمية. تم اختيار ثلاث صور تم التقاطها في مناطق مختلفة بمساحة إجمالية تبلغ حوالي 27000 ميكرومتر مربع لتحليلها المرحلي. تم إجراء المزيد من الدراسات المجهرية التفصيلية، بما في ذلك تحليل التركيب الكيميائي وتحليل توزيع العناصر، على المجهر الإلكتروني الماسح (JEOL JSM-6490LA) المجهز بنظام التحليل الطيفي المشتت للطاقة (EDS). تم إجراء توصيف التركيب البلوري لمركب HEA باستخدام نظام حيود الأشعة السينية (مبدل الطور Bruker D2) باستخدام مصدر CuKα بحجم خطوة قدره 0.04 درجة. تمت دراسة تأثير التغيرات التركيبية المجهرية على الخواص الميكانيكية لمركبات HEA باستخدام اختبارات فيكرز للصلابة الدقيقة واختبارات الضغط. لاختبار الصلابة، يتم تطبيق حمولة قدرها 500 نيوتن لمدة 15 ثانية باستخدام 10 مسافات بادئة على الأقل لكل عينة. تم إجراء اختبارات ضغط مركبات HEA في درجة حرارة الغرفة على عينات مستطيلة (7 مم × 3 مم × 3 مم) على آلة اختبار عالمية Shimadzu 50KN (UTM) بمعدل إجهاد أولي قدره 0.001 / ثانية.
تم تحضير مركبات الإنتروبيا العالية، والمشار إليها فيما بعد بالعينات من S-1 إلى S-6، عن طريق إضافة 3%، 6%، 9%، 12%، 15%، و17% SiC (كل ذلك بالوزن%) إلى مصفوفة CoCrFeNi . على التوالى. ويشار فيما بعد إلى العينة المرجعية التي لم تتم إضافة SiC إليها باسم العينة S-0. تظهر الصور المجهرية الضوئية لمركبات HEA المطورة في الشكلين. 1، حيث، بسبب إضافة مواد مضافة مختلفة، تم تحويل البنية المجهرية أحادية الطور لـ CoCrFeNi HEA إلى بنية مجهرية تتكون من العديد من المراحل ذات التشكل والأحجام والتوزيع المختلفة. كمية SiC في التركيبة. تم تحديد مقدار كل مرحلة من تحليل الصور باستخدام برنامج LAS Phase Expert. يُظهر الشكل الداخلي إلى الشكل 1 (أعلى اليمين) منطقة مثال لهذا التحليل، بالإضافة إلى جزء المساحة لكل مكون من مكونات المرحلة.
صورة مجهرية بصرية للمركبات عالية الإنتروبيا المطورة: (أ) C-1، (ب) C-2، (ج) C-3، (د) C-4، (هـ) C-5 و (و) C- 6. يُظهر الشكل الداخلي مثالاً لنتائج تحليل طور الصورة المستندة إلى التباين باستخدام برنامج LAS Phase Expert.
كما هو مبين في الشكل. في الشكل 1 أ، بنية مجهرية سهلة الانصهار تكونت بين أحجام المصفوفة للمركب C-1، حيث تقدر كمية المصفوفة والمراحل سهلة الانصهار بـ 87.9 ± 0.47% و12.1% ± 0.51% على التوالي. في المركب (C-2) الموضح في الشكل 1ب، لا توجد علامات على تفاعل سهل الانصهار أثناء التصلب، ولوحظ وجود بنية مجهرية مختلفة تمامًا عن بنية المركب C-1. البنية المجهرية لمركب C-2 جيدة نسبيًا وتتكون من صفائح رقيقة (كربيدات) موزعة بشكل موحد في طور المصفوفة (fcc). تقدر أجزاء حجم المصفوفة والكربيد بـ 72 ± 1.69% و28 ± 1.69% على التوالي. بالإضافة إلى المصفوفة والكربيد، تم العثور على مرحلة جديدة (مبيد السيليكات) في مركب C-3، كما هو مبين في الشكل 1ج، حيث تقدر الكسور الحجمية لمراحل مبيد السيليكات والكربيد والمصفوفة بحوالي 26.5% ± 0.41%، 25.9 ± 0.53، و47.6 ± 0.34، على التوالي. ولوحظت أيضًا مرحلة جديدة أخرى (الجرافيت) في البنية المجهرية لمركب C-4؛ تم تحديد ما مجموعه أربع مراحل. تتميز مرحلة الجرافيت بشكل كروي مميز مع تباين داكن في الصور الضوئية وهي موجودة فقط بكميات صغيرة (نسبة الحجم المقدرة تبلغ حوالي 0.6 ± 0.30٪ فقط). في المركبات C-5 وC-6، تم تحديد ثلاث مراحل فقط، وتظهر مرحلة الجرافيت المتناقضة الداكنة في هذه المركبات على شكل رقائق. بالمقارنة مع رقائق الجرافيت في المركب S-5، فإن رقائق الجرافيت في المركب S-6 تكون أوسع وأقصر وأكثر انتظامًا. ولوحظت أيضًا زيادة مقابلة في محتوى الجرافيت من 14.9 ± 0.85% في مركب C-5 إلى حوالي 17.4 ± 0.55% في مركب C-6.
لمزيد من التحقيق في البنية المجهرية التفصيلية والتركيب الكيميائي لكل مرحلة في مركب HEA، تم فحص العينات باستخدام SEM، كما تم إجراء تحليل نقطة EMF ورسم الخرائط الكيميائية. تظهر نتائج المركب C-1 في الشكل. 2، حيث يظهر بوضوح وجود مخاليط سهلة الانصهار تفصل بين مناطق طور المصفوفة الرئيسية. يظهر الشكل 2 ج الخريطة الكيميائية للمركب C-1، حيث يمكن ملاحظة أن Co وFe وNi وSi يتم توزيعها بشكل موحد في طور المصفوفة. ومع ذلك، تم العثور على كمية صغيرة من الكروم في مرحلة المصفوفة مقارنة بالعناصر الأخرى في قاعدة HEA، مما يشير إلى أن الكروم منتشر خارج المصفوفة. تكوين الطور سهل الانصهار الأبيض في صورة SEM غني بالكروم والكربون، مما يشير إلى أنه كربيد الكروم. يشير غياب جزيئات SiC المنفصلة في البنية المجهرية، بالإضافة إلى المحتوى المنخفض الملحوظ من الكروم في المصفوفة ووجود مخاليط سهلة الانصهار تحتوي على مراحل غنية بالكروم، إلى التحلل الكامل لـ SiC أثناء الذوبان. نتيجة لتحلل SiC، يذوب السيليكون في مرحلة المصفوفة، ويتفاعل الكربون الحر مع الكروم لتكوين كربيدات الكروم. كما يمكن أن يرى، تم تحديد الكربون فقط نوعيًا بواسطة طريقة EMF، وتم تأكيد تكوين الطور من خلال تحديد قمم الكربيد المميزة في أنماط حيود الأشعة السينية.
(أ) صورة SEM للعينة S-1، (ب) صورة مكبرة، (ج) خريطة العناصر، (د) نتائج EMF في المواقع المحددة.
يظهر تحليل المركب C-2 في الشكل. 3. على غرار المظهر في المجهر الضوئي، كشف فحص SEM عن بنية دقيقة تتكون من مرحلتين فقط، مع وجود مرحلة صفائحية رقيقة موزعة بالتساوي في جميع أنحاء الهيكل. مرحلة المصفوفة، وليس هناك مرحلة سهل الانصهار. كشف توزيع العناصر وتحليل نقطة EMF للطور الصفائحي عن محتوى مرتفع نسبيًا من الكروم (الأصفر) وC (الأخضر) في هذه المرحلة، مما يشير مرة أخرى إلى تحلل SiC أثناء الذوبان وتفاعل الكربون المنطلق مع تأثير الكروم. . تشكل مصفوفة VEA مرحلة كربيد رقائقي. أظهر توزيع العناصر وتحليل النقاط لمرحلة المصفوفة أن معظم الكوبالت والحديد والنيكل والسيليكون موجودة في مرحلة المصفوفة.
(أ) صورة SEM للعينة S-2، (ب) صورة مكبرة، (ج) خريطة العناصر، (د) نتائج EMF في المواقع المحددة.
كشفت دراسات SEM لمركبات C-3 عن وجود أطوار جديدة بالإضافة إلى أطوار الكربيد والمصفوفة. تُظهر الخريطة الأولية (الشكل 4 ج) وتحليل نقطة المجالات الكهرومغناطيسية (الشكل 4 د) أن المرحلة الجديدة غنية بالنيكل والكوبالت والسيليكون.
(أ) صورة SEM للعينة S-3، (ب) صورة مكبرة، (ج) خريطة العناصر، (د) نتائج EMF في المواقع المحددة.
تظهر نتائج تحليل SEM وEMF للمركب C-4 في الشكلين. 5. بالإضافة إلى المراحل الثلاث التي لوحظت في مركب C-3، تم العثور أيضًا على وجود عقيدات من الجرافيت. كما أن الجزء الحجمي للطور الغني بالسيليكون أعلى أيضًا من الجزء المركب C-3.
(أ) صورة SEM لعينة S-4، (ب) صورة مكبرة، (ج) خريطة العناصر، (د) نتائج EMF في المواقع المحددة.
وتظهر نتائج أطياف SEM وEMF للمركبات S-5 وS-6 في الشكلين 1 و2. 6 و7، على التوالي. بالإضافة إلى عدد قليل من المجالات، لوحظ أيضا وجود رقائق الجرافيت. يكون كل من عدد رقائق الجرافيت وجزء الحجم من الطور المحتوي على السيليكون في المركب C-6 أكبر منه في المركب C-5.
(أ) صورة SEM للعينة C-5، (ب) عرض موسع، (ج) خريطة عنصرية، (د) نتائج EMF في المواقع المحددة.
(أ) صورة SEM للعينة S-6، (ب) صورة مكبرة، (ج) خريطة العناصر، (د) نتائج EMF في المواقع المحددة.
تم أيضًا إجراء توصيف التركيب البلوري لمركبات HEA باستخدام قياسات XRD. وتظهر النتيجة في الشكل 8. في نمط الحيود لقاعدة WEA (S-0)، تكون القمم المقابلة لمرحلة FCC فقط مرئية. كشفت أنماط حيود الأشعة السينية للمركبات C-1 وC-2 وC-3 عن وجود قمم إضافية تتوافق مع كربيد الكروم (Cr7C3)، وكانت كثافتها أقل بالنسبة للعينات C-3 وC-4، مما يشير إلى هذا أيضًا مع بيانات EMF لهذه العينات. وقد لوحظت القمم المقابلة لمبيدات سيليكا Co/Ni في العينات S-3 وS-4، وهو ما يتوافق مرة أخرى مع نتائج رسم خرائط EDS الموضحة في الشكلين 2 و3. كما هو مبين في الشكل 3 والشكل 4. وقد لوحظت القمم 5 وS-6 المقابلة للجرافيت.
أشارت كل من الخصائص المجهرية والبلورية للمركبات المطورة إلى تحلل SiC المضاف. ويرجع ذلك إلى وجود الكروم في مصفوفة VEA. يتمتع الكروم بألفة قوية جدًا للكربون 54.55 ويتفاعل مع الكربون الحر لتكوين كربيدات، كما يتضح من الانخفاض الملحوظ في محتوى الكروم في المصفوفة. يمر Si إلى مرحلة fcc بسبب تفكك SiC56. وبالتالي، أدت الزيادة في إضافة SiC إلى HEA الأساسي إلى زيادة في كمية طور الكربيد وكمية Si المجانية في البنية المجهرية. لقد وجد أن هذا Si الإضافي يترسب في المصفوفة بتركيزات منخفضة (في المركبات S-1 وS-2)، بينما عند التركيزات الأعلى (المركبات من S-3 إلى S-6) فإنه يؤدي إلى ترسب كوبالت إضافي/. سيليكيد النيكل. المحتوى الحراري القياسي لتكوين مبيدات سيليكات Co وNi، الذي تم الحصول عليه عن طريق التوليف المباشر لقياس السعرات الحرارية العالية الحرارة، هو -37.9 ± 2.0، -49.3 ± 1.3، -34.9 ± 1.1 كيلوجول مول -1 لـ Co2Si وCoSi وCoSi2، على التوالي، في حين أن هذه القيم هي – 50.6 ± 1.7 و – 45.1 ± 1.4 كيلوجول مول-157 لـ Ni2Si وNi5Si2، على التوالي. هذه القيم أقل من حرارة تكوين SiC، مما يشير إلى أن تفكك SiC الذي يؤدي إلى تكوين مبيدات سيليكات Co/Ni هو أمر مواتٍ بقوة. في كل من المركبات S-5 وS-6، كان هناك سيليكون حر إضافي، والذي تم امتصاصه بعد تكوين مبيد السيليكات. تم العثور على هذا السيليكون الحر للمساهمة في الجرافيت الملحوظ في الفولاذ التقليدي .
تم دراسة الخواص الميكانيكية للمركبات المقواة بالسيراميك المطورة على أساس HEA عن طريق اختبارات الضغط واختبارات الصلابة. تظهر في الشكلين منحنيات الإجهاد والانفعال للمركبات المطورة. يُظهر الشكل 9 أ، وفي الشكل 9 ب مخططًا مبعثرًا بين قوة الخضوع المحددة وقوة الخضوع والصلابة واستطالة المركبات المطورة.
( أ ) منحنيات الضغط الانضغاطي و ( ب ) مخططات التشتت التي توضح إجهاد الخضوع المحدد وقوة الخضوع والصلابة والاستطالة. لاحظ أنه يتم عرض العينات S-0 إلى S-4 فقط، حيث أن العينات S-5 وS-6 تحتوي على عيوب كبيرة في الصب.
كما رأينا في الشكل. كما هو موضح في الشكل 9، زادت قوة الخضوع من 136 ميجا باسكال للقاعدة VES (C-0) إلى 2522 ميجا باسكال للمركب C-4. بالمقارنة مع WPP الأساسي، أظهر المركب S-2 استطالة جيدة جدًا حتى الفشل بحوالي 37٪، كما أظهر أيضًا قيم مقاومة خضوع أعلى بكثير (1200 ميجا باسكال). يرجع المزيج الممتاز بين القوة والليونة لهذا المركب إلى التحسن في البنية المجهرية الشاملة، بما في ذلك التوزيع الموحد لصفائح الكربيد الدقيقة في جميع أنحاء البنية المجهرية، والتي من المتوقع أن تمنع حركة الخلع. تبلغ قوة الخضوع للمركبات C-3 وC-4 1925 ميجا باسكال و2522 ميجا باسكال، على التوالي. يمكن تفسير نقاط القوة العالية الإنتاجية هذه من خلال الجزء الكبير الحجم من مراحل الكربيد والسيليد الأسمنتي. إلا أن وجود هذه الأطوار أدى أيضاً إلى استطالة عند الكسر بنسبة 7% فقط. منحنيات الإجهاد والانفعال للمركبات الأساسية CoCrFeNi HEA (S-0) وS-1 محدبة، مما يشير إلى تفعيل تأثير التوأمة أو TRIP59,60. بالمقارنة مع العينة S-1، فإن منحنى الإجهاد والانفعال للعينة S-2 له شكل مقعر عند إجهاد يبلغ حوالي 10.20%، مما يعني أن انزلاق الخلع الطبيعي هو وضع التشوه الرئيسي للعينة في هذه الحالة المشوهة60،61 . ومع ذلك، فإن معدل التصلب في هذه العينة يظل مرتفعًا على مدى نطاق إجهاد كبير، وفي السلالات الأعلى يكون الانتقال إلى التحدب مرئيًا أيضًا (على الرغم من أنه لا يمكن استبعاد أن هذا يرجع إلى فشل الأحمال الضاغطة المشحمة). ). تتمتع المركبات C-3 وC-4 بمرونة محدودة فقط بسبب وجود أجزاء كبيرة الحجم من الكربيدات ومبيدات السيليكات في البنية المجهرية. لم يتم إجراء اختبارات الضغط لعينات المركبات C-5 وC-6 بسبب عيوب الصب الكبيرة في هذه العينات من المركبات (انظر الشكل 10).
صورة مجهرية لعيوب الصب (المشار إليها بالأسهم الحمراء) في عينات من المركبات C-5 وC-6.
تظهر نتائج قياس صلابة مركبات VEA في الشكلين. 9ب. تتمتع WEA الأساسية بصلابة تبلغ 130±5 HV، والعينات S-1 وS-2 وS-3 وS-4 لها قيم صلابة تبلغ 250±10 HV و275±10 HV و570±20 HV و 755±20 جهد عالي. كانت الزيادة في الصلابة متوافقة بشكل جيد مع التغير في مقاومة الخضوع التي تم الحصول عليها من اختبارات الضغط وارتبطت بزيادة كمية المواد الصلبة في المركب. تظهر أيضًا في الشكل قوة الخضوع المحددة المحسوبة بناءً على التركيبة المستهدفة لكل عينة. 9ب. بشكل عام، أفضل مزيج من قوة الخضوع (1200 ميجا باسكال)، والصلابة (275 ± 10 HV)، والاستطالة النسبية للفشل (~ 37٪) لوحظ بالنسبة للمركب C-2.
يظهر الشكل 11 أ مقارنة قوة الخضوع والاستطالة النسبية للمركب المطور بمواد من فئات مختلفة. أظهرت المركبات المعتمدة على CoCrFeNi في هذه الدراسة استطالة عالية عند أي مستوى إجهاد معين. ويمكن أيضًا ملاحظة أن خصائص مركبات HEA التي تم تطويرها في هذه الدراسة تكمن في المنطقة غير المأهولة سابقًا من مخطط قوة الخضوع مقابل الاستطالة. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي المركبات المطورة على نطاق واسع من مجموعات القوة (277 ميجا باسكال، 1200 ميجا باسكال، 1925 ميجا باسكال، 2522 ميجا باسكال) والاستطالة (> 60%، 37%، 7.3%، و6.19%). تعد قوة الخضوع أيضًا عاملاً مهمًا في اختيار المواد للتطبيقات الهندسية المتقدمة 63،64. في هذا الصدد، تعرض مركبات HEA الخاصة بالاختراع الحالي مزيجًا ممتازًا من قوة الخضوع والاستطالة. وذلك لأن إضافة SiC منخفض الكثافة ينتج عنه مركبات ذات قوة خضوع محددة عالية. تقع قوة الخضوع المحددة واستطالة مركبات HEA في نفس النطاق مثل HEA FCC وHEA المقاومة للحرارة، كما هو مبين في الشكل 11 ب. إن صلابة وقوة الخضوع للمركبات المطورة هي في نفس النطاق كما هو الحال بالنسبة للنظارات المعدنية الضخمة (الشكل 11 ج). تتميز النظارات المعدنية الضخمة (BMS) بالصلابة العالية وقوة الخضوع، ولكن استطالتها محدودة . ومع ذلك، فإن صلابة وقوة الخضوع لبعض مركبات HEA التي تم تطويرها في هذه الدراسة أظهرت أيضًا استطالة كبيرة. وهكذا، تم التوصل إلى أن المواد المركبة التي طورتها VEA تتمتع بمزيج فريد ومطلوب من الخواص الميكانيكية لمختلف التطبيقات الهيكلية. يمكن تفسير هذا المزيج الفريد من الخواص الميكانيكية من خلال التشتت الموحد للكربيدات الصلبة المتكونة في الموقع في مصفوفة FCC HEA. ومع ذلك، كجزء من هدف تحقيق مزيج أفضل من القوة، يجب دراسة التغيرات الهيكلية المجهرية الناتجة عن إضافة مراحل السيراميك والتحكم فيها بعناية لتجنب عيوب الصب، مثل تلك الموجودة في المركبات S-5 وS-6، و ليونة. جنس.
تمت مقارنة نتائج هذه الدراسة مع مختلف المواد الإنشائية وHEAs: (أ) الاستطالة مقابل قوة الخضوع62، (ب) إجهاد الخضوع المحدد مقابل الليونة63 و (ج) قوة الخضوع مقابل الصلابة65.
تمت دراسة البنية المجهرية والخواص الميكانيكية لسلسلة من مركبات السيراميك HEA المعتمدة على نظام HEA CoCrFeNi مع إضافة SiC وتم استخلاص الاستنتاجات التالية:
يمكن تطوير مركبات السبائك ذات الإنتروبيا العالية بنجاح عن طريق إضافة SiC إلى CoCrFeNi HEA باستخدام طريقة ذوبان القوس.
يتحلل SiC أثناء ذوبان القوس، مما يؤدي إلى تكوين مراحل كربيد ومبيدات السيليكات والجرافيت في الموقع، والتي يعتمد وجودها وحجمها على كمية SiC المضافة إلى HEA الأساسي.
تُظهر مركبات HEA العديد من الخواص الميكانيكية الممتازة، مع خواص تقع في مناطق غير مأهولة سابقًا في مخطط قوة الخضوع مقابل مخطط الاستطالة. كانت قوة الخضوع لمركب HEA المصنوع باستخدام 6٪ بالوزن من SiC أكثر من ثمانية أضعاف قوة HEA الأساسية مع الحفاظ على ليونة بنسبة 37٪.
تقع صلابة وقوة الخضوع لمركبات HEA في نطاق الزجاج المعدني السائب (BMG).
تشير النتائج إلى أن مركبات السبائك ذات الإنتروبيا العالية تمثل طريقة واعدة لتحقيق مزيج ممتاز من الخواص الميكانيكية المعدنية للتطبيقات الهيكلية المتقدمة.