חומרים מרוכבים מבוססי HEA מחוזקים בקרמיקה מציגים שילוב מצוין של תכונות מכניות.

CoCrFeNi היא סגסוגת בעלת אנטרופיה גבוהה (HEA) עם עמידה מצוינת אך חוזק מוגבל. ההתמקדות של מחקר זה היא בשיפור איזון החוזק והמשיכות של HEAs כאלה על ידי הוספת כמויות שונות של SiC בשיטת התכת הקשת. הוכח כי נוכחות של כרום בבסיס HEA גורם לפירוק של SiC במהלך ההיתוך. לפיכך, האינטראקציה של פחמן חופשי עם כרום מובילה להיווצרות באתרו של כרום קרבידים, בעוד שסיליקון חופשי נשאר בתמיסה בבסיס ה-HEA ו/או מקיים אינטראקציה עם היסודות המרכיבים את ה-HEA הבסיסי ליצירת סיליקידים. ככל שתכולת ה-SiC עולה, שלב המיקרו-מבנה משתנה ברצף הבא: fcc → fcc + eutectic → fcc + פתיתי כרום קרביד → fcc + פתיתי כרום קרביד + סיליקיד → fcc + פתיתי כרום קרביד + סיליקיד + כדורי גרפיט / פתיתי גרפיט. החומרים המרוכבים המתקבלים מציגים מגוון רחב מאוד של תכונות מכניות (חוזק תפוקה שנע בין 277 MPa במעל 60% התארכות ל-2522 MPa ב-6% התארכות) בהשוואה לסגסוגות קונבנציונליות וסגסוגות אנטרופיה גבוהה. חלק מהחומרים המרוכבים באנטרופיה הגבוהה שפותחו מראים שילוב מצוין של תכונות מכניות (חוזק תפוקה 1200 MPa, התארכות 37%) ותופסים אזורים שלא היו ניתנים להשגה בעבר בתרשים התארכות מתח התשואה. בנוסף להתארכות יוצאת דופן, הקשיות וחוזק התפוקה של חומרים מרוכבים HEA נמצאים באותו טווח כמו זכוכית מתכתית בתפזורת. לכן, מאמינים שפיתוח של חומרים מרוכבים בעלי אנטרופיה גבוהה יכול לעזור להשיג שילוב מצוין של תכונות מכניות עבור יישומים מבניים מתקדמים.
הפיתוח של סגסוגות אנטרופיה גבוהה הוא רעיון חדש ומבטיח במטלורגיה1,2. סגסוגות אנטרופיה גבוהה (HEA) הראו במספר מקרים שילוב מצוין של תכונות פיזיקליות ומכאניות, כולל יציבות תרמית גבוהה3,4 התארכות סופר-פלסטיקית5,6 עמידות בפני עייפות7,8 עמידות בפני קורוזיה9,10,11, עמידות בפני שחיקה מעולה12,13,14 ,15 ותכונות טריבולוגיות15 ,16,17 אפילו בטמפרטורות גבוהות18,19,20,21,22 ו תכונות מכניות בטמפרטורות נמוכות23,24,25. השילוב המצוין של תכונות מכניות ב-HEA מיוחס בדרך כלל לארבעה אפקטים עיקריים, כלומר אנטרופיה תצורה גבוהה26, עיוות סריג חזק27, דיפוזיה איטית28 ואפקט קוקטייל29. HEAs מסווגים בדרך כלל כסוגי FCC, BCC ו-HCP. FCC HEA מכיל בדרך כלל רכיבי מעבר כגון Co, Cr, Fe, Ni ו-Mn ומציג גמישות מצוינת (אפילו בטמפרטורה נמוכה25) אך חוזק נמוך. BCC HEA מורכב בדרך כלל מאלמנטים בצפיפות גבוהה כגון W, Mo, Nb, Ta, Ti ו-V ובעל חוזק גבוה מאוד אך משיכות נמוכה וחוזק ספציפי נמוך30.
השינוי המיקרו-מבני של HEA המבוסס על עיבוד שבבי, עיבוד תרמו-מכני והוספת אלמנטים נחקר כדי להשיג את השילוב הטוב ביותר של תכונות מכניות. CoCrFeMnNi FCC HEA נתון לעיוות פלסטי חמור על ידי פיתול בלחץ גבוה, מה שמוביל לעלייה משמעותית בקשיות (520 HV) ובחוזק (1950 MPa), אך הפיתוח של מבנה מיקרו ננו-גבישי (~50 ננומטר) הופך את הסגסוגת לשבירה31 . נמצא כי השילוב של גמישות תאומים (TWIP) ושל פלסטיות מושרית (TRIP) לתוך CoCrFeMnNi HEAs מקנה קשיות עבודה טובה וכתוצאה מכך משיכות מתיחה גבוהה, אם כי על חשבון ערכי חוזק מתיחה בפועל. מתחת (1124 MPa) 32. היווצרות של מיקרו-מבנה שכבות (המורכב משכבה דקה מעוותת וליבה לא מעוותת) ב-CoCrFeMnNi HEA באמצעות shot pening הביאה לעלייה בחוזק, אך שיפור זה הוגבל לכ-700 MPa33. בחיפוש אחר חומרים עם השילוב הטוב ביותר של חוזק ומשיכות, נחקר גם הפיתוח של HEAs רב-פאזיים ו-HEAs אוטקטיים תוך שימוש בתוספות של יסודות לא איזואטומיים34,35,36,37,38,39,40,41. אכן, נמצא כי פיזור עדין יותר של פאזות קשות ורכות בסגסוגות אוקטיות באנטרופיה גבוהה יכולה להוביל לשילוב טוב יותר יחסית של חוזק ומשיכות35,38,42,43.
מערכת CoCrFeNi היא סגסוגת חד-פאזית FCC בעלת אנטרופיה גבוהה. מערכת זו מציגה תכונות התקשות עבודה מהירות44 וגמישות מעולה45,46 בטמפרטורות נמוכות וגבוהות כאחד. נעשו ניסיונות שונים לשפר את החוזק הנמוך יחסית שלו (~300 MPa)47,48 כולל עידון גרגרים25, מבנה מיקרו הטרוגני49, משקעים50,51,52 וגמישות הנגרמת על ידי טרנספורמציה (TRIP)53. עידון גרגירים של HEA CoCrFeNi מעוקב במרכז פנים יצוק על ידי משיכה קרה בתנאים קשים מגדיל את החוזק מכ-300 MPa47.48 ל-1.2 GPa25, אך מפחית את אובדן המשיכות מיותר מ-60% ל-12.6%. הוספת Al ל-HEA של CoCrFeNi הביאה ליצירת מבנה מיקרו הטרוגני, שהגדיל את חוזק התפוקה שלו ל-786 MPa ואת התארכותו היחסית לכ-22%49. CoCrFeNi HEA נוספה עם Ti ו-Al כדי ליצור משקעים, ובכך ליצור חיזוק משקעים, להגדיל את חוזק התפוקה שלו ל-645 MPa ואת ההתארכות ל-39%51. מנגנון ה-TRIP (טרנספורמציה מרטנסיטית ממוקדת פנים → hexahedral martensitic) והתאום הגדילו את חוזק המתיחה של CoCrFeNi HEA ל-841 MPa ואת ההתארכות בשבירה ל-76%53.
נעשו גם ניסיונות להוסיף חיזוק קרמי למטריצה ​​הקובית במרכז HEA כדי לפתח חומרים מרוכבים באנטרופיה גבוהה שיכולים להפגין שילוב טוב יותר של חוזק ומשיכות. חומרים מרוכבים בעלי אנטרופיה גבוהה עברו עיבוד על ידי התכת קשת ואקום44, סגסוג מכני45,46,47,48,52,53, סינטר פלזמה ניצוץ46,51,52, כבישה חמה בוואקום45, כבישה איזוסטטית חמה47,48 ופיתוח תהליכי ייצור תוספים43, 50. קרבידים, תחמוצות וניטרידים כגון WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 ו-Y2O351 שימשו כחיזוק קרמי בפיתוח חומרים מרוכבים HEA. בחירת מטריצת HEA וקרמיקה נכונים חשובה במיוחד בעת תכנון ופיתוח קומפוזיט HEA חזק ועמיד. בעבודה זו, CoCrFeNi נבחר כחומר המטריצה. כמויות שונות של SiC נוספו ל-CoCrFeNi HEA והשפעתם על מבנה המיקרו, הרכב הפאזה והתכונות המכניות נחקרה.
מתכות בטוהר גבוה Co, Cr, Fe ו-Ni (99.95 wt%) ואבקת SiC (טוהר 99%, גודל -400 mesh) בצורה של חלקיקים יסודיים שימשו כחומרי גלם ליצירת חומרים מרוכבים HEA. ההרכב האיזואטומי של ה-CoCrFeNi HEA הונח תחילה בתבנית נחושת מקוררת מים חצי כדורית, ולאחר מכן התפנה החדר ל-3·10-5 mbar. גז ארגון בטוהר גבוה מוכנס כדי להשיג את הוואקום הנדרש להתכת קשת עם אלקטרודות טונגסטן שאינן מתכלות. המטילים המתקבלים הופכים ומומסים מחדש חמש פעמים כדי להבטיח הומוגניות טובה. חומרים מרוכבים בעלי אנטרופיה גבוהה של קומפוזיציות שונות הוכנו על ידי הוספת כמות מסוימת של SiC לכפתורי CoCrFeNi המשוווים-אטומיים שנוצרו, אשר הומוגנו מחדש על ידי היפוך פי חמישה והמסה מחדש בכל מקרה. הכפתור המעוצב מהקומפוזיט שנוצר נחתך באמצעות EDM להמשך בדיקה ואפיון. דגימות למחקרים מיקרו-מבנה הוכנו על פי שיטות מטאלוגרפיות סטנדרטיות. ראשית, הדגימות נבדקו באמצעות מיקרוסקופ אור (Leica Microscope DM6M) עם התוכנה Leica Image Analysis (LAS Phase Expert) לניתוח שלב כמותי. שלוש תמונות שצולמו באזורים שונים בשטח כולל של כ-27,000 µm2 נבחרו לניתוח פאזה. מחקרים מיקרו-מבניים מפורטים נוספים, כולל ניתוח הרכב כימי וניתוח התפלגות יסודות, בוצעו במיקרוסקופ אלקטרוני סורק (JEOL JSM-6490LA) המצויד במערכת ניתוח ספקטרוסקופיה מפזרת אנרגיה (EDS). אפיון מבנה הגביש של ה-HEA המרוכב בוצע באמצעות מערכת דיפרקציית רנטגן (Bruker D2 phase shifter) באמצעות מקור CuKα בגודל צעד של 0.04°. ההשפעה של שינויים מיקרו-סטרוקטורליים על המאפיינים המכניים של חומרי HEA מרוכבים נחקרה באמצעות מבחני מיקרו-קשיות של Vickers ובדיקות דחיסה. עבור בדיקת הקשיות, מופעל עומס של 500 N למשך 15 שניות תוך שימוש ב-10 שקעים לפחות לכל דגימה. בדיקות דחיסה של חומרים מרוכבים HEA בטמפרטורת החדר בוצעו על דגימות מלבניות (7 מ"מ × 3 מ"מ × 3 מ"מ) במכונת בדיקה אוניברסלית Shimadzu 50KN (UTM) בקצב עקה ראשוני של 0.001/s.
חומרים מרוכבים באנטרופיה גבוהה, שיקראו להלן דגימות S-1 עד S-6, הוכנו על ידי הוספת 3%, 6%, 9%, 12%, 15% ו-17% SiC (הכל לפי משקל%) למטריצת CoCrFeNi . בהתאמה. מדגם הייחוס שלא התווסף לו SiC מכונה להלן מדגם S-0. מיקרוגרפים אופטיים של חומרים מרוכבים HEA שפותחו מוצגים באיורים. 1, שם, עקב הוספת תוספים שונים, המיקרו-מבנה החד-פאזי של ה-CoCrFeNi HEA הפך למיקרו-מבנה המורכב משלבים רבים עם מורפולוגיה, גדלים ותפוצה שונים. כמות SiC בהרכב. הכמות של כל שלב נקבעה מניתוח תמונה באמצעות תוכנת LAS Phase Expert. ההוספה לאיור 1 (מימין למעלה) מציגה אזור לדוגמה לניתוח זה, כמו גם את שבר השטח עבור כל רכיב פאזה.
מיקרוגרפים אופטיים של חומרים מרוכבים בעלי אנטרופיה גבוהה שפותחו: (א) C-1, (ב) C-2, (ג) C-3, (ד) C-4, (ה) C-5 ו-(ו) C- 6. התוספת מציגה דוגמה לתוצאות ניתוח פאזות תמונה מבוססות-ניגודיות באמצעות תוכנת LAS Phase Expert.
כפי שמוצג באיור. 1a, מיקרו-מבנה אוטקטי שנוצר בין נפחי המטריצה ​​של ה-C-1 המרוכב, כאשר כמות המטריצה ​​והשלבים האוטקטיים נאמדת כ-87.9 ± 0.47% ו-12.1% ± 0.51%, בהתאמה. בחומר המרוכב (C-2) המוצג באיור 1b, אין סימנים לתגובה אוקטית במהלך התמצקות, ונצפה מבנה מיקרו שונה לחלוטין מזה של המרוכב C-1. מבנה המיקרו של ה-C-2 המרוכב עדין יחסית ומורכב מלוחות דקים (קרבידים) המופצים באופן אחיד בשלב המטריצה ​​(fcc). חלקי הנפח של המטריצה ​​והקרביד נאמדים ב-72 ± 1.69% ו-28 ± 1.69%, בהתאמה. בנוסף למטריצה ​​ולקרביד, נמצא שלב חדש (סיליקיד) בקומפוזיט C-3, כפי שמוצג באיור 1c, כאשר חלקי הנפח של שלבי סיליקיד, קרביד ומטריצה ​​כאלה נאמדים בכ-26.5% ± 0.41%, 25.9 ± 0.53 ו-47.6 ± 0.34, בהתאמה. שלב חדש נוסף (גרפיט) ​​נצפה גם במבנה המיקרו של ה-C-4 המרוכב; בסך הכל זוהו ארבעה שלבים. לשלב הגרפיט יש צורה כדורית מובהקת עם ניגודיות כהה בתמונות אופטיות והוא קיים רק בכמויות קטנות (שבר נפח משוער הוא רק כ-0.6 ± 0.30%). בחומרים מרוכבים C-5 ו-C-6 זוהו רק שלושה שלבים, ושלב הגרפיט המנוגד הכהה ברכיבים אלה מופיע בצורת פתיתים. בהשוואה לפתיתי הגרפיט ב-Composite S-5, פתיתי הגרפיט ב-Composite S-6 רחבים יותר, קצרים יותר וסדירים יותר. עלייה מקבילה בתכולת הגרפיט נצפתה גם מ-14.9 ± 0.85% ב-C-5 המרוכב לכ-17.4 ± 0.55% ב-C-6 המרוכב.
כדי להמשיך ולחקור את המיקרו-מבנה המפורט וההרכב הכימי של כל שלב במרוכב HEA, דגימות נבדקו באמצעות SEM, ובוצעו גם ניתוח נקודות EMF ומיפוי כימי. התוצאות עבור מורכב C-1 מוצגות באיור. 2, שבו נוכחות של תערובות אוקטיות המפרידות בין האזורים של שלב המטריצה ​​הראשית נראית בבירור. המפה הכימית של C-1 המרוכבת מוצגת באיור 2c, שם ניתן לראות ש-Co, Fe, Ni ו-Si מפוזרים באופן אחיד בשלב המטריצה. עם זאת, כמות קטנה של Cr נמצאה בשלב המטריצה ​​בהשוואה לאלמנטים אחרים של הבסיס HEA, מה שמרמז על כך ש-Cr התפזר החוצה מהמטריצה. ההרכב של השלב האוטקטי הלבן בתמונת SEM עשיר בכרום ופחמן, מה שמעיד על כך שמדובר בכרום קרביד. היעדר חלקיקי SiC נפרדים במבנה המיקרו, בשילוב עם התוכן הנמוך שנצפה של כרום במטריקס ונוכחות של תערובות אוטקטיות המכילות שלבים עשירים בכרום, מצביעים על פירוק מוחלט של SiC במהלך ההיתוך. כתוצאה מהפירוק של SiC, הסיליקון מתמוסס בשלב המטריצה, ופחמן חופשי יוצר אינטראקציה עם כרום ליצירת כרום קרבידים. כפי שניתן לראות, רק פחמן נקבע באופן איכותי בשיטת EMF, והיווצרות הפאזה אושרה על ידי זיהוי פסגות קרביד אופייניות בדפוסי עקיפה של קרני רנטגן.
(א) תמונת SEM של מדגם S-1, (ב) תמונה מוגדלת, (ג) מפת אלמנטים, (ד) תוצאות EMF במיקומים המצוינים.
הניתוח של מרוכב C-2 מוצג באיור. 3. בדומה להופעה במיקרוסקופיה אופטית, בדיקת SEM גילתה מבנה עדין המורכב משני שלבים בלבד, כאשר נוכחות של שלב למלרי דק מפוזר באופן שווה בכל המבנה. שלב מטריצה, ואין שלב אוטקטי. התפלגות היסודות וניתוח נקודת ה-EMF של הפאזה הלמלרית חשפו תוכן גבוה יחסית של Cr (צהוב) ו-C (ירוק) בשלב זה, מה שמצביע שוב על פירוק SiC במהלך ההמסה והאינטראקציה של הפחמן המשוחרר עם אפקט הכרום. . מטריצת VEA יוצרת שלב קרביד למלרי. התפלגות היסודות וניתוח נקודתי של שלב המטריצה ​​הראו שרוב הקובלט, הברזל, הניקל והסיליקון נמצאים בשלב המטריצה.
(א) תמונת SEM של מדגם S-2, (ב) תמונה מוגדלת, (ג) מפת אלמנטים, (ד) תוצאות EMF במיקומים המצוינים.
מחקרי SEM של חומרים מרוכבים C-3 חשפו נוכחות של שלבים חדשים בנוסף לשלבי הקרביד והמטריקס. מפת היסודות (איור 4c) וניתוח נקודות EMF (איור 4d) מראים שהשלב החדש עשיר בניקל, קובלט וסיליקון.
(א) תמונת SEM של מדגם S-3, (ב) תמונה מוגדלת, (ג) מפת אלמנטים, (ד) תוצאות EMF במיקומים המצוינים.
התוצאות של ניתוח SEM ו-EMF של המרוכב C-4 מוצגות באיורים. 5. בנוסף לשלושת השלבים שנצפו בקומפוזיט C-3, נמצאה גם נוכחות של גושי גרפיט. חלק הנפח של הפאזה העשירה בסיליקון גבוה גם מזה של ה-C-3 המרוכב.
(א) תמונת SEM של מדגם S-4, (ב) תמונה מוגדלת, (ג) מפת אלמנטים, (ד) תוצאות EMF במיקומים המצוינים.
התוצאות של ספקטרום SEM ו-EMF של חומרים מרוכבים S-5 ו-S-6 מוצגות באיורים 1 ו-2. 6 ו-7, בהתאמה. בנוסף למספר קטן של כדורים, נצפתה גם נוכחות של פתיתי גרפיט. הן מספר פתיתי הגרפיט והן חלק הנפח של השלב המכיל סיליקון בקומפוזיט C-6 גדול יותר מאשר במרוכב C-5.
(א) תמונת SEM של מדגם C-5, (ב) תצוגה מוגדלת, (ג) מפת יסוד, (ד) תוצאות EMF במיקומים המצוינים.
(א) תמונת SEM של מדגם S-6, (ב) תמונה מוגדלת, (ג) מפת אלמנטים, (ד) תוצאות EMF במיקומים המצוינים.
אפיון מבנה הגביש של חומרים מרוכבים HEA בוצע גם באמצעות מדידות XRD. התוצאה מוצגת באיור 8. בדפוס העקיפה של הבסיס WEA (S-0), רק הפסגות המתאימות לשלב ה-fcc נראים לעין. דפוסי עקיפה של קרני רנטגן של חומרים מרוכבים C-1, C-2 ו-C-3 חשפו נוכחות של פסגות נוספות התואמות לכרום קרביד (Cr7C3), ועוצמתם הייתה נמוכה יותר עבור דגימות C-3 ו-C-4, מה שהצביע על כי גם עם הנתונים EMF עבור דגימות אלה. נצפו פסגות התואמות לסיליקידי Co/Ni עבור דגימות S-3 ו-S-4, שוב עקביות עם תוצאות מיפוי EDS המוצגות באיורים 2 ו-3. כפי שמוצג באיור 3 ובאיור 4. נצפו פסגות 5 ו-S-6 מתאים לגרפיט.
גם מאפיינים מיקרו-סטרוקטורליים וגם מאפיינים גבישיים של החומרים המרוכבים שפותחו הצביעו על פירוק של ה- SiC שנוסף. זאת בשל נוכחות של כרום במטריצת VEA. לכרום יש זיקה חזקה מאוד לפחמן 54.55 והוא מגיב עם פחמן חופשי ליצירת קרבידים, כפי שמעידה הירידה הנצפית בתכולת הכרום של המטריצה. Si עובר לשלב fcc עקב הדיסוציאציה של SiC56. לפיכך, עלייה בתוספת של SiC לבסיס HEA הובילה לעלייה בכמות שלב הקרביד ובכמות ה-Si החופשי במיקרו. נמצא שסי נוסף זה מושקע במטריצה ​​בריכוזים נמוכים (בחומרים מרוכבים S-1 ו-S-2), בעוד שבריכוזים גבוהים יותר (מרוכבים S-3 עד S-6) הוא גורם לשקיעת קובלט נוספת/. סיליקיד ניקל. האנתלפיה הסטנדרטית של היווצרות של סיליקידי Co ו-Ni, המתקבלת על ידי סינתזה ישירה בקלוריות בטמפרטורה גבוהה, היא -37.9 ± 2.0, -49.3 ± 1.3, -34.9 ± 1.1 קילו ג'יי מול -1 עבור Co2Si, CoSi ו-CoSi2, בהתאמה, בעוד אלה הערכים הם - 50.6 ± 1.7 ו - 45.1 ± 1.4 קילו-ג'יי מול-157 עבור Ni2Si ו-Ni5Si2, בהתאמה. ערכים אלה נמוכים מחום היווצרות SiC, מה שמצביע על כך שהניתוק של SiC המוביל להיווצרות של סיליקידי Co/Ni הוא חיובי מבחינה אנרגטית. גם ברכיבים מרוכבים S-5 וגם S-6, היה קיים סיליקון חופשי נוסף, אשר נספג מעבר להיווצרות סיליקיד. נמצא כי הסיליקון החופשי הזה תורם לגרפיטיזציה שנצפתה בפלדות קונבנציונליות58.
התכונות המכניות של החומרים המרוכבים המחוזקים בקרמיקה המפותחים על בסיס HEA נחקרות על ידי מבחני דחיסה ובדיקות קשיות. עקומות המתח-מתח של החומרים המרוכבים שפותחו מוצגים באיורים. 9a, ובאיור 9b מציגה תרשים פיזור בין חוזק תפוקה ספציפי, חוזק תפוקה, קשיות והתארכות של החומרים המרוכבים שפותחו.
(א) עקומות מתח דחיסה ו-(ב) תרשימי פיזור המציגים מתח תפוקה ספציפי, חוזק תפוקה, קשיות והתארכות. שימו לב שרק דגימות S-0 עד S-4 מוצגות, שכן דגימות S-5 ו-S-6 מכילות פגמים משמעותיים ביציקה.
כפי שניתן לראות באיור. 9, חוזק התפוקה גדל מ-136 MPa עבור הבסיס VES (C-0) ל-2522 MPa עבור ה-C-4 המרוכב. בהשוואה ל-WPP הבסיסי, ה-S-2 המרוכב הראה התארכות טובה מאוד לכשל של כ-37%, וגם הראה ערכי חוזק תשואה גבוהים משמעותית (1200 MPa). השילוב המצוין של חוזק ומשיכות של חומר מרוכב זה נובע מהשיפור במבנה המיקרו הכולל, כולל פיזור אחיד של למלות קרביד עדינות בכל המיקרומבנה, שצפוי לעכב את תנועת הנקע. עוצמות התשואה של חומרים מרוכבים C-3 ו-C-4 הם 1925 MPa ו-2522 MPa, בהתאמה. ניתן להסביר עוצמות תשואה גבוהות אלה על ידי חלק הנפח הגבוה של שלבי קרביד מוצק וסיליקיד. עם זאת, נוכחות שלבים אלו גרמה גם להתארכות בהפסקה של 7% בלבד. עקומות המתח-מתח של חומרי הבסיס CoCrFeNi HEA (S-0) ו-S-1 הם קמורים, מה שמצביע על הפעלה של אפקט התאומים או TRIP59,60. בהשוואה לדגימה S-1, לעקומת המתח-מתח של מדגם S-2 יש צורה קעורה במתיחות של כ-10.20%, מה שאומר שההחלקה התקינה הנורמלית היא מצב העיוות העיקרי של המדגם במצב מעוות זה60,61 . עם זאת, קצב ההתקשות בדגימה זו נשאר גבוה בטווח מתח גדול, ובמתיחות גבוהות יותר נראה גם מעבר לקמור (אם כי לא ניתן לשלול שהדבר נובע מכשל בעומסי דחיסה משומנים). ). לחומרים מרוכבים C-3 ו-C-4 יש פלסטיות מוגבלת בלבד בשל נוכחותם של חלקי נפח גבוהים יותר של קרבידים וסיליקידים במבנה המיקרו. בדיקות דחיסה של דגימות של חומרים מרוכבים C-5 ו-C-6 לא בוצעו עקב ליקויי יציקה משמעותיים בדגימות אלה של מרוכבים (ראה איור 10).
סטריאומוגרפיות של פגמי יציקה (מסומנים בחצים אדומים) בדגימות של חומרים מרוכבים C-5 ו-C-6.
התוצאות של מדידת הקשיות של חומרים מרוכבים VEA מוצגות באיורים. 9ב. לבסיס WEA יש קשיות של 130±5 HV, ולדגימות S-1, S-2, S-3 ו-S-4 יש ערכי קשיות של 250±10 HV, 275±10 HV, 570±20 HV ו 755±20 HV. העלייה בקשיות תאמה היטב את השינוי בחוזק התפוקה שהתקבל מבדיקות דחיסה והייתה קשורה לעלייה בכמות המוצקים בחומר המרוכב. חוזק התשואה הספציפי המחושב המבוסס על הרכב היעד של כל דגימה מוצג גם באיור. 9ב. באופן כללי, השילוב הטוב ביותר של חוזק תפוקה (1200 MPa), קשיות (275 ± 10 HV) והתארכות יחסית לכשל (~37%) נצפה עבור C-2 מרוכב.
השוואה בין חוזק התפוקה וההתארכות היחסית של המרוכב המפותח עם חומרים ממעמדות שונים מוצגת באיור 11א. חומרים מרוכבים המבוססים על CoCrFeNi במחקר זה הראו התארכות גבוהה בכל רמת מתח נתונה62. ניתן גם לראות שהמאפיינים של חומרים מרוכבים HEA שפותחו במחקר זה טמונות באזור שלא היה תפוס קודם לכן של החלקה של חוזק תשואה לעומת התארכות. בנוסף, לחומרים המפותחים מגוון רחב של שילובים של חוזק (277 MPa, 1200 MPa, 1925 MPa ו-2522 MPa) והתארכות (>60%, 37%, 7.3% ו-6.19%). חוזק התפוקה הוא גם גורם חשוב בבחירת חומרים ליישומים הנדסיים מתקדמים63,64. בהקשר זה, חומרי ה-HEA של ההמצאה הנוכחית מציגים שילוב מצוין של חוזק תפוקה והתארכות. הסיבה לכך היא שתוספת של SiC בצפיפות נמוכה גורמת לחומרים מרוכבים בעלי חוזק תשואה ספציפי גבוה. חוזק התפוקה וההתארכות הספציפיים של חומרים מרוכבים HEA נמצאים באותו טווח כמו HEA FCC ו-HEA עקשן, כפי שמוצג באיור 11b. הקשיות וחוזק התפוקה של החומרים המרוכבים שפותחו הם באותו טווח כמו עבור זכוכית מתכתית מאסיבית65 (איור 11c). כוסות מתכתיות מסיביות (BMS) מאופיינות בקשיות ובחוזק תפוקה גבוהים, אך התארכותן מוגבלת66,67. עם זאת, הקשיות וחוזק התפוקה של חלק מחומרי ה-HEA שפותחו במחקר זה הראו גם התארכות משמעותית. לפיכך, הגיע למסקנה כי לחומרים המרוכבים שפותחה על ידי VEA יש שילוב ייחודי ומבוקש של תכונות מכניות עבור יישומים מבניים שונים. ניתן להסביר את השילוב הייחודי הזה של תכונות מכניות על ידי פיזור אחיד של קרבידים קשים הנוצרים באתרם במטריצת FCC HEA. עם זאת, כחלק מהמטרה של השגת שילוב טוב יותר של חוזק, שינויים מיקרו-מבניים הנובעים מהוספת שלבים קרמיים חייבים להיחקר בקפידה ובקרה כדי למנוע פגמי יציקה, כגון אלו שנמצאו ברכיבים מרוכבים S-5 ו-S-6, וכן מְשִׁיכוּת. מִין.
התוצאות של מחקר זה הושוו עם חומרים מבניים ו-HEAs שונים: (א) התארכות מול חוזק תפוקה62, (ב) מתח תפוקה ספציפי מול משיכות63 ו-(ג) חוזק תפוקה מול קשיות65.
המיקרו-מבנה והמאפיינים המכניים של סדרת חומרים מרוכבים קרמיים HEA המבוססים על מערכת HEA CoCrFeNi עם תוספת של SiC נבדקו והמסקנות הבאות הוסקו:
ניתן לפתח בהצלחה חומרים מרוכבים מסגסוגת אנטרופיה על ידי הוספת SiC ל-CoCrFeNi HEA בשיטת התכת הקשת.
SiC מתפרק במהלך המסת קשת, מה שמוביל להיווצרות באתרו של שלבי קרביד, סיליקיד וגרפיט, שנוכחותם וחלק הנפח שלהם תלויים בכמות ה- SiC שנוספת לבסיס HEA.
חומרים מרוכבים של HEA מציגים תכונות מכניות מעולות רבות, עם מאפיינים שנופלים לאזורים שלא היו מאוכלסים בעבר במגרש של חוזק התשואה לעומת התארכות. חוזק התפוקה של חומר ה-HEA המיוצר באמצעות SiC של 6% משקל היה יותר מפי שמונה מזה של HEA הבסיסי תוך שמירה על משיכות של 37%.
הקשיות וחוזק התפוקה של חומרים מרוכבים HEA הם בטווח של זכוכית מתכת בתפזורת (BMG).
הממצאים מצביעים על כך שחומרי סגסוגת מרוכבים בעלי אנטרופיה גבוהה מייצגים גישה מבטיחה להשגת שילוב מצוין של תכונות מתכת-מכניות עבור יישומים מבניים מתקדמים.