Vật liệu tổng hợp dựa trên HEA được gia cố bằng gốm thể hiện sự kết hợp tuyệt vời giữa các tính chất cơ học.

CoCrFeNi là hợp kim có entropy cao (HEA) lập phương tâm mặt (fcc) được nghiên cứu kỹ lưỡng với độ dẻo tuyệt vời nhưng độ bền hạn chế.Trọng tâm của nghiên cứu này là cải thiện sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo của các HEA đó bằng cách bổ sung các lượng SiC khác nhau bằng phương pháp nấu chảy hồ quang.Người ta đã xác định rằng sự hiện diện của crom trong HEA bazơ gây ra sự phân hủy SiC trong quá trình nóng chảy.Do đó, sự tương tác của carbon tự do với crom dẫn đến sự hình thành tại chỗ của cacbua crom, trong khi silicon tự do vẫn tồn tại trong dung dịch trong HEA bazơ và/hoặc tương tác với các nguyên tố tạo nên HEA bazơ để tạo thành silicua.Khi hàm lượng SiC tăng lên, pha cấu trúc vi mô thay đổi theo trình tự sau: fcc → fcc + eutectic → fcc + mảnh cacbua crom → fcc + mảnh cacbua crom + silicide → fcc + mảnh cacbua crom + silicide + bóng than chì / mảnh than chì.Các vật liệu tổng hợp thu được thể hiện một loạt các tính chất cơ học (cường độ chảy dao động từ 277 MPa ở độ giãn dài trên 60% đến 2522 MPa ở độ giãn dài 6%) so với các hợp kim thông thường và hợp kim có entropy cao.Một số vật liệu tổng hợp có entropy cao được phát triển cho thấy sự kết hợp tuyệt vời giữa các tính chất cơ học (cường độ chảy 1200 MPa, độ giãn dài 37%) và chiếm các vùng không thể đạt được trước đây trên biểu đồ độ giãn ứng suất-độ giãn.Ngoài độ giãn dài vượt trội, độ cứng và cường độ năng suất của vật liệu tổng hợp HEA ngang bằng với kính kim loại khối.Do đó, người ta tin rằng sự phát triển của vật liệu tổng hợp có entropy cao có thể giúp đạt được sự kết hợp tuyệt vời các tính chất cơ học cho các ứng dụng kết cấu tiên tiến.
Sự phát triển của hợp kim entropy cao là một khái niệm mới đầy hứa hẹn trong luyện kim1,2.Hợp kim entropy cao (HEA) đã cho thấy trong một số trường hợp sự kết hợp tuyệt vời giữa các tính chất vật lý và cơ học, bao gồm độ ổn định nhiệt cao3,4 độ giãn dài siêu dẻo5,6 chống mỏi7,8 chống ăn mòn9,10,11, chống mài mòn tuyệt vời12,13,14 ,15 và các đặc tính ma sát15 ,16,17 ngay cả ở nhiệt độ cao18,19,20,21,22 và các đặc tính cơ học ở nhiệt độ thấp23,24,25.Sự kết hợp tuyệt vời của các tính chất cơ học trong HEA thường là do bốn tác động chính, đó là entropy cấu hình cao26, biến dạng mạng mạnh27, khuếch tán chậm28 và hiệu ứng cocktail29.HEA thường được phân loại thành các loại FCC, BCC và HCP.FCC HEA thường chứa các nguyên tố chuyển tiếp như Co, Cr, Fe, Ni và Mn và thể hiện độ dẻo tuyệt vời (ngay cả ở nhiệt độ thấp25) nhưng độ bền thấp.BCC HEA thường bao gồm các nguyên tố mật độ cao như W, Mo, Nb, Ta, Ti và V và có độ bền rất cao nhưng độ dẻo thấp và cường độ riêng thấp30.
Việc sửa đổi cấu trúc vi mô của HEA dựa trên gia công, xử lý cơ nhiệt và bổ sung các phần tử đã được nghiên cứu để thu được sự kết hợp tốt nhất giữa các tính chất cơ học.CoCrFeMnNi FCC HEA bị biến dạng dẻo nghiêm trọng do xoắn áp suất cao, dẫn đến tăng đáng kể độ cứng (520 HV) và độ bền (1950 MPa), nhưng sự phát triển của cấu trúc vi tinh thể nano (~50 nm) làm cho hợp kim trở nên giòn31 .Người ta đã phát hiện ra rằng sự kết hợp giữa độ dẻo kết đôi (TWIP) và độ dẻo cảm ứng biến đổi (TRIP) thành CoCrFeMnNi HEA mang lại khả năng làm cứng tốt dẫn đến độ dẻo kéo cao, mặc dù phải trả giá bằng các giá trị độ bền kéo thực tế.Dưới đây (1124 MPa) 32. Sự hình thành cấu trúc vi mô phân lớp (bao gồm một lớp biến dạng mỏng và lõi không biến dạng) trong CoCrFeMnNi HEA bằng cách sử dụng phương pháp bắn bi dẫn đến tăng cường độ, nhưng sự cải thiện này bị giới hạn ở khoảng 700 MPa33.Để tìm kiếm các vật liệu có sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền và độ dẻo, sự phát triển của HEA đa pha và HEA eutectic bằng cách bổ sung các nguyên tố không đồng vị cũng đã được nghiên cứu34,35,36,37,38,39,40,41.Thật vậy, người ta đã phát hiện ra rằng sự phân bố mịn hơn của các pha cứng và mềm trong các hợp kim eutectic có entropy cao có thể dẫn đến sự kết hợp tương đối tốt hơn giữa độ bền và độ dẻo35,38,42,43.
Hệ thống CoCrFeNi là hợp kim entropy cao FCC một pha được nghiên cứu rộng rãi.Hệ thống này thể hiện đặc tính làm cứng nhanh44 và độ dẻo tuyệt vời45,46 ở cả nhiệt độ thấp và cao.Nhiều nỗ lực khác nhau đã được thực hiện để cải thiện độ bền tương đối thấp (~300 MPa)47,48 của nó bao gồm sàng lọc hạt25, cấu trúc vi mô không đồng nhất49, kết tủa50,51,52 và độ dẻo do biến đổi (TRIP)53.Việc tinh luyện hạt của khối HEA CoCrFeNi đặt tâm mặt đúc bằng phương pháp kéo nguội trong điều kiện khắc nghiệt làm tăng cường độ từ khoảng 300 MPa47,48 lên 1,2 GPa25, nhưng giảm độ suy giảm độ dẻo từ hơn 60% xuống 12,6%.Việc bổ sung Al vào HEA của CoCrFeNi dẫn đến sự hình thành cấu trúc vi mô không đồng nhất, làm tăng cường độ chảy của nó lên 786 MPa và độ giãn dài tương đối của nó lên khoảng 22%49.CoCrFeNi HEA được thêm vào cùng với Ti và Al để tạo thành kết tủa, từ đó hình thành nên sự tăng cường lượng mưa, tăng cường độ chảy của nó lên 645 MPa và độ giãn dài lên 39%51.Cơ chế TRIP (biến đổi martensitic lập phương tâm mặt → lục giác) và tạo cặp đã tăng độ bền kéo của CoCrFeNi HEA lên 841 MPa và độ giãn dài khi đứt lên 76%53.
Các nỗ lực cũng đã được thực hiện để bổ sung chất gia cố bằng gốm vào ma trận lập phương tâm mặt HEA để phát triển các vật liệu tổng hợp có entropy cao có thể thể hiện sự kết hợp tốt hơn giữa độ bền và độ dẻo.Các vật liệu tổng hợp có entropy cao đã được xử lý bằng cách nấu chảy hồ quang chân không44, hợp kim cơ học45,46,47,48,52,53, thiêu kết tia lửa điện plasma46,51,52, ép nóng chân không45, ép đẳng tĩnh nóng47,48 và phát triển các quy trình sản xuất bồi đắp43, 50.Các cacbua, oxit và nitrit như WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 và Y2O351 đã được sử dụng làm chất gia cố gốm trong quá trình phát triển vật liệu tổng hợp HEA.Việc chọn chất nền HEA và gốm phù hợp đặc biệt quan trọng khi thiết kế và phát triển hỗn hợp HEA chắc chắn và bền bỉ.Trong công trình này, CoCrFeNi được chọn làm vật liệu nền.Một lượng SiC khác nhau đã được thêm vào CoCrFeNi HEA và ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc vi mô, thành phần pha và tính chất cơ học đã được nghiên cứu.
Các kim loại có độ tinh khiết cao Co, Cr, Fe và Ni (99,95 wt %) và bột SiC (độ tinh khiết 99%, kích thước -400 lưới) ở dạng hạt cơ bản được sử dụng làm nguyên liệu thô để tạo ra vật liệu tổng hợp HEA.Thành phần đồng vị của CoCrFeNi HEA lần đầu tiên được đặt trong khuôn đồng làm mát bằng nước hình bán cầu, sau đó buồng được chân không đến áp suất 3·10-5 mbar.Khí argon có độ tinh khiết cao được đưa vào để đạt được độ chân không cần thiết cho quá trình nấu chảy hồ quang bằng điện cực vonfram không tiêu hao.Các thỏi thu được được đảo ngược và nấu chảy lại năm lần để đảm bảo tính đồng nhất tốt.Các vật liệu tổng hợp có entropy cao gồm nhiều thành phần khác nhau đã được điều chế bằng cách thêm một lượng SiC nhất định vào các nút CoCrFeNi tương đương thu được, được đồng nhất lại bằng cách đảo ngược năm lần và nấu chảy lại trong từng trường hợp.Nút đúc từ hỗn hợp thu được được cắt bằng EDM để thử nghiệm và xác định đặc tính thêm.Các mẫu cho nghiên cứu cấu trúc vi mô được chuẩn bị theo phương pháp luyện kim tiêu chuẩn.Đầu tiên, các mẫu được kiểm tra bằng kính hiển vi ánh sáng (Leica Microscope DM6M) với phần mềm Leica Image Analysis (LAS Phase Expert) để phân tích định lượng pha.Ba hình ảnh được chụp ở các khu vực khác nhau với tổng diện tích khoảng 27.000 µm2 đã được chọn để phân tích pha.Các nghiên cứu cấu trúc vi mô chi tiết hơn, bao gồm phân tích thành phần hóa học và phân tích phân bố nguyên tố, được thực hiện trên kính hiển vi điện tử quét (JEOL JSM-6490LA) được trang bị hệ thống phân tích quang phổ tán sắc năng lượng (EDS).Đặc tính cấu trúc tinh thể của hỗn hợp HEA được thực hiện bằng hệ thống nhiễu xạ tia X (bộ dịch pha Bruker D2) sử dụng nguồn CuKα với kích thước bước 0, 04 °.Ảnh hưởng của những thay đổi cấu trúc vi mô đến các tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp HEA đã được nghiên cứu bằng các thử nghiệm độ cứng vi mô và thử nghiệm nén của Vickers.Đối với thử độ cứng, đặt tải trọng 500 N trong 15 s với ít nhất 10 vết lõm trên mỗi mẫu.Các thử nghiệm nén vật liệu tổng hợp HEA ở nhiệt độ phòng được thực hiện trên mẫu hình chữ nhật (7 mm × 3 mm × 3 mm) trên máy thử nghiệm vạn năng Shimadzu 50KN (UTM) với tốc độ biến dạng ban đầu là 0,001/s.
Các vật liệu tổng hợp có entropy cao, sau đây gọi là mẫu S-1 đến S-6, được điều chế bằng cách thêm 3%, 6%, 9%, 12%, 15% và 17% SiC (tất cả tính theo trọng lượng%) vào ma trận CoCrFeNi .tương ứng.Mẫu tham chiếu không thêm SiC sau đây được gọi là mẫu S-0.Ảnh vi mô quang học của vật liệu tổng hợp HEA đã phát triển được hiển thị trong Hình.Như được hiển thị trong Hình 1, trong đó, do bổ sung các chất phụ gia khác nhau, cấu trúc vi mô một pha của CoCrFeNi HEA đã được chuyển thành cấu trúc vi mô bao gồm nhiều pha với hình thái, kích thước và sự phân bố khác nhau.Hàm lượng SiC trong chế phẩm.Lượng của từng pha được xác định từ phân tích hình ảnh bằng phần mềm LAS Phase Expert.Hình nhỏ trong Hình 1 (phía trên bên phải) hiển thị một khu vực mẫu cho phân tích này, cũng như phần diện tích cho từng thành phần pha.
Ảnh vi mô quang học của vật liệu tổng hợp entropy cao đã phát triển: (a) C-1, (b) C-2, (c) C-3, (d) C-4, (e) C-5 và (f) C- 6.Hình nhỏ hiển thị ví dụ về kết quả phân tích pha hình ảnh dựa trên độ tương phản bằng phần mềm LAS Phase Expert.
Như thể hiện trong hình.Như được hiển thị trong Hình 1a, một vi cấu trúc eutectic được hình thành giữa các thể tích ma trận của hỗn hợp C-1, trong đó lượng pha ma trận và pha eutectic được ước tính lần lượt là 87,9 ± 0,47% và 12,1% ± 0,51%.Trong hỗn hợp (C-2) được hiển thị trong Hình 1b, không có dấu hiệu của phản ứng eutectic trong quá trình hóa rắn và quan sát thấy một cấu trúc vi mô hoàn toàn khác với cấu trúc vi mô của hỗn hợp C-1.Cấu trúc vi mô của hỗn hợp C-2 tương đối mịn và bao gồm các tấm mỏng (cacbua) phân bố đồng đều trong pha ma trận (fcc).Tỷ lệ thể tích của ma trận và cacbua ước tính lần lượt là 72 ± 1,69% và 28 ± 1,69%.Ngoài ma trận và cacbua, một pha mới (silicide) đã được tìm thấy trong hỗn hợp C-3, như trong Hình 1c, trong đó phần thể tích của các pha silic, cacbua và ma trận như vậy ước tính vào khoảng 26,5% ± lần lượt là 0,41%, 25,9 ± 0,53 và 47,6 ± 0,34.Một pha mới khác (graphite) cũng được quan sát thấy trong cấu trúc vi mô của hỗn hợp C-4;tổng cộng có bốn giai đoạn đã được xác định.Pha than chì có dạng hình cầu rõ rệt với độ tương phản tối trong ảnh quang học và chỉ xuất hiện với lượng nhỏ (phần thể tích ước tính chỉ khoảng 0,6 ± 0,30%).Trong vật liệu tổng hợp C-5 và C-6, chỉ có ba pha được xác định và pha than chì tương phản tối trong các vật liệu tổng hợp này xuất hiện ở dạng vảy.So với các mảnh than chì trong Composite S-5, các mảnh than chì trong Composite S-6 rộng hơn, ngắn hơn và đều đặn hơn.Hàm lượng than chì tăng tương ứng cũng được quan sát thấy từ 14,9 ± 0,85% trong hỗn hợp C-5 lên khoảng 17,4 ± 0,55% trong hỗn hợp C-6.
Để nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc vi mô chi tiết và thành phần hóa học của từng pha trong hỗn hợp HEA, các mẫu được kiểm tra bằng SEM, đồng thời thực hiện phân tích điểm EMF và lập bản đồ hóa học.Các kết quả cho hỗn hợp C-1 được thể hiện trong hình.2, trong đó có thể thấy rõ sự hiện diện của hỗn hợp eutectic ngăn cách các vùng của pha ma trận chính.Bản đồ hóa học của hỗn hợp C-1 được hiển thị trong Hình 2c, trong đó có thể thấy Co, Fe, Ni và Si được phân bố đồng đều trong pha ma trận.Tuy nhiên, một lượng nhỏ Cr được tìm thấy trong pha ma trận so với các nguyên tố khác của HEA bazơ, cho thấy rằng Cr đã khuếch tán ra khỏi ma trận.Thành phần của pha eutectic màu trắng trong ảnh SEM rất giàu crom và carbon, cho thấy đó là crom cacbua.Sự vắng mặt của các hạt SiC rời rạc trong cấu trúc vi mô, kết hợp với hàm lượng crom trong nền thấp quan sát được và sự hiện diện của hỗn hợp eutectic chứa các pha giàu crom, cho thấy sự phân hủy hoàn toàn của SiC trong quá trình nóng chảy.Do sự phân hủy của SiC, silicon hòa tan trong pha ma trận và carbon tự do tương tác với crom để tạo thành cacbua crom.Có thể thấy, chỉ carbon được xác định định tính bằng phương pháp EMF và sự hình thành pha được xác nhận bằng cách xác định các đỉnh cacbua đặc trưng trong mẫu nhiễu xạ tia X.
(a) Ảnh SEM của mẫu S-1, (b) ảnh phóng to, (c) bản đồ phần tử, (d) kết quả EMF tại các vị trí được chỉ định.
Phân tích hỗn hợp C-2 được thể hiện trong hình.3. Tương tự như quan sát trên kính hiển vi quang học, kiểm tra SEM cho thấy cấu trúc tinh tế chỉ gồm hai pha, với sự hiện diện của một pha mỏng phân bố đều khắp cấu trúc.pha ma trận và không có pha eutectic.Sự phân bố nguyên tố và phân tích điểm EMF của pha lamellar cho thấy hàm lượng Cr (màu vàng) và C (màu xanh lá cây) tương đối cao trong pha này, điều này một lần nữa cho thấy sự phân hủy của SiC trong quá trình nóng chảy và sự tương tác của carbon giải phóng với hiệu ứng crom .Ma trận VEA tạo thành pha cacbua lamellar.Sự phân bố các nguyên tố và phân tích điểm của pha ma trận cho thấy hầu hết coban, sắt, niken và silicon đều có mặt trong pha ma trận.
(a) Ảnh SEM của mẫu S-2, (b) ảnh phóng to, (c) bản đồ phần tử, (d) kết quả EMF tại các vị trí được chỉ định.
Các nghiên cứu SEM của vật liệu tổng hợp C-3 cho thấy sự hiện diện của các pha mới ngoài các pha cacbua và ma trận.Bản đồ nguyên tố (Hình 4c) và phân tích điểm EMF (Hình 4d) cho thấy pha mới rất giàu niken, coban và silicon.
(a) Ảnh SEM của mẫu S-3, (b) ảnh phóng to, (c) bản đồ phần tử, (d) kết quả EMF tại các vị trí được chỉ định.
Kết quả phân tích SEM và EMF của hỗn hợp C-4 được thể hiện trong Hình.5. Ngoài ba pha quan sát được trong hỗn hợp C-3, người ta cũng tìm thấy sự hiện diện của các nốt than chì.Phần thể tích của pha giàu silicon cũng cao hơn so với hỗn hợp C-3.
(a) Ảnh SEM của mẫu S-4, (b) ảnh phóng to, (c) bản đồ phần tử, (d) kết quả EMF tại các vị trí được chỉ định.
Kết quả phổ SEM và EMF của vật liệu tổng hợp S-5 và S-6 lần lượt được thể hiện trên Hình 1 và Hình 2. 6 và 7.Ngoài một số lượng nhỏ các quả cầu, người ta còn quan sát thấy sự hiện diện của các mảnh than chì.Cả số lượng mảnh than chì và phần thể tích của pha chứa silicon trong hỗn hợp C-6 đều lớn hơn trong hỗn hợp C-5.
(a) Ảnh SEM của mẫu C-5, (b) chế độ xem phóng to, (c) bản đồ nguyên tố, (d) kết quả EMF tại các vị trí được chỉ định.
(a) Ảnh SEM của mẫu S-6, (b) ảnh phóng to, (c) bản đồ phần tử, (d) kết quả EMF tại các vị trí được chỉ định.
Đặc tính cấu trúc tinh thể của vật liệu tổng hợp HEA cũng được thực hiện bằng phép đo XRD.Kết quả được thể hiện trong Hình 8. Trong mẫu nhiễu xạ của WEA cơ sở (S-0), chỉ có thể nhìn thấy các đỉnh tương ứng với pha fcc.Mẫu nhiễu xạ tia X của vật liệu tổng hợp C-1, C-2 và C-3 cho thấy sự hiện diện của các pic bổ sung tương ứng với cacbua crom (Cr7C3) và cường độ của chúng thấp hơn đối với các mẫu C-3 và C-4, điều này cho thấy điều đó cũng với dữ liệu EMF cho các mẫu này.Các đỉnh tương ứng với silicua Co/Ni đã được quan sát thấy đối với các mẫu S-3 và S-4, một lần nữa phù hợp với kết quả ánh xạ EDS được hiển thị trong Hình 2 và 3. Như được hiển thị trong Hình 3 và Hình 4. Các đỉnh 5 và S-6 đã được quan sát thấy tương ứng với than chì.
Cả đặc điểm cấu trúc vi mô và tinh thể học của vật liệu tổng hợp được phát triển đều cho thấy sự phân hủy của SiC được thêm vào.Điều này là do sự hiện diện của crom trong ma trận VEA.Crom có ​​ái lực rất mạnh với cacbon 54,55 và phản ứng với cacbon tự do để tạo thành cacbua, được biểu thị bằng sự giảm hàm lượng crom trong nền được quan sát thấy.Si chuyển sang pha fcc do sự phân ly của SiC56.Do đó, việc tăng thêm SiC vào HEA bazơ dẫn đến tăng lượng pha cacbua và lượng Si tự do trong cấu trúc vi mô.Người ta nhận thấy rằng Si bổ sung này được lắng đọng trong nền ở nồng độ thấp (trong vật liệu tổng hợp S-1 và S-2), trong khi ở nồng độ cao hơn (tổng hợp S-3 đến S-6), nó dẫn đến sự lắng đọng coban bổ sung/.niken silicide.Entanpy tiêu chuẩn của sự hình thành các silicua Co và Ni, thu được bằng phương pháp đo nhiệt lượng ở nhiệt độ cao tổng hợp trực tiếp, lần lượt là -37,9 ± 2,0, -49,3 ± 1,3, -34,9 ± 1,1 kJ mol -1 đối với Co2Si, CoSi và CoSi2, trong khi các giá trị này các giá trị lần lượt là – 50,6 ± 1,7 và – 45,1 ± 1,4 kJ mol-157 đối với Ni2Si và Ni5Si2.Các giá trị này thấp hơn nhiệt hình thành của SiC, cho thấy sự phân ly của SiC dẫn đến sự hình thành các silicua Co/Ni là thuận lợi về mặt năng lượng.Trong cả hai vật liệu tổng hợp S-5 và S-6, đều có thêm silic tự do, được hấp thụ ngoài quá trình hình thành chất diệt silic.Người ta nhận thấy silicon tự do này góp phần vào quá trình grafit hóa quan sát được ở các loại thép thông thường58.
Các tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp được gia cố bằng gốm dựa trên HEA được nghiên cứu bằng các thử nghiệm nén và thử nghiệm độ cứng.Các đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu tổng hợp đã phát triển được thể hiện trong Hình.9a, và trong Hình 9b cho thấy biểu đồ phân tán giữa cường độ chảy cụ thể, cường độ chảy, độ cứng và độ giãn dài của vật liệu tổng hợp đã phát triển.
(a) Đường cong biến dạng nén và (b) biểu đồ phân tán biểu thị ứng suất chảy cụ thể, cường độ chảy, độ cứng và độ giãn dài.Lưu ý rằng chỉ các mẫu từ S-0 đến S-4 được hiển thị, vì các mẫu S-5 và S-6 có các khuyết tật đúc đáng kể.
Như đã thấy trong hình.Như được hiển thị trong Hình 9, cường độ chảy tăng từ 136 MPa đối với VES cơ bản (C-0) lên 2522 MPa đối với hỗn hợp C-4.So với WPP cơ bản, hỗn hợp S-2 cho thấy độ giãn dài đến mức hư hỏng rất tốt khoảng 37% và cũng cho thấy giá trị cường độ chảy cao hơn đáng kể (1200 MPa).Sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền và độ dẻo của hỗn hợp này là do sự cải thiện trong cấu trúc vi mô tổng thể, bao gồm sự phân bố đồng đều của các tấm cacbua mịn trong toàn bộ cấu trúc vi mô, được cho là sẽ ức chế chuyển động trật khớp.Cường độ năng suất của vật liệu tổng hợp C-3 và C-4 lần lượt là 1925 MPa và 2522 MPa.Những cường độ năng suất cao này có thể được giải thích bằng phần khối lượng lớn của các pha cacbua và silicide xi măng.Tuy nhiên, sự có mặt của các pha này cũng dẫn đến độ giãn dài khi đứt chỉ ở mức 7%.Các đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu tổng hợp cơ bản CoCrFeNi HEA (S-0) và S-1 là lồi, biểu thị sự kích hoạt hiệu ứng kết đôi hoặc TRIP59,60.So với mẫu S-1, đường cong ứng suất - biến dạng của mẫu S-2 có dạng lõm với biến dạng khoảng 10,20%, nghĩa là trượt trật khớp thông thường là dạng biến dạng chính của mẫu ở trạng thái biến dạng này60,61 .Tuy nhiên, tốc độ đông cứng trong mẫu này vẫn cao trong phạm vi biến dạng lớn và ở các biến dạng cao hơn cũng có thể nhìn thấy sự chuyển đổi sang độ lồi (mặc dù không thể loại trừ rằng điều này là do tải trọng nén được bôi trơn bị hỏng).).Các vật liệu tổng hợp C-3 và C-4 chỉ có độ dẻo hạn chế do sự hiện diện của các cacbua và silicua có thể tích cao hơn trong cấu trúc vi mô.Các thử nghiệm nén các mẫu vật liệu tổng hợp C-5 và C-6 đã không được thực hiện do các khuyết tật đúc đáng kể trên các mẫu vật liệu tổng hợp này (xem Hình 10).
Ảnh vi mô lập thể về các khuyết tật đúc (được biểu thị bằng mũi tên màu đỏ) trong các mẫu vật liệu tổng hợp C-5 và C-6.
Kết quả đo độ cứng của vật liệu composite VEA được thể hiện trên hình.9b.WEA cơ sở có độ cứng 130±5 HV và các mẫu S-1, S-2, S-3 và S-4 có giá trị độ cứng 250±10 HV, 275±10 HV, 570±20 HV và 755±20HV.Sự gia tăng độ cứng phù hợp tốt với sự thay đổi cường độ chảy thu được từ các thử nghiệm nén và có liên quan đến sự gia tăng lượng chất rắn trong hỗn hợp.Cường độ năng suất cụ thể được tính toán dựa trên thành phần mục tiêu của từng mẫu cũng được thể hiện trong hình.9b.Nói chung, sự kết hợp tốt nhất giữa giới hạn chảy (1200 MPa), độ cứng (275 ± 10 HV) và độ giãn dài tương đối đến khi hỏng (~37%) được quan sát thấy đối với composite C-2.
So sánh cường độ chảy và độ giãn dài tương đối của hỗn hợp đã phát triển với các vật liệu thuộc các loại khác nhau được thể hiện trong Hình 11a.Vật liệu tổng hợp dựa trên CoCrFeNi trong nghiên cứu này cho thấy độ giãn dài cao ở bất kỳ mức ứng suất nào62.Cũng có thể thấy rằng các đặc tính của vật liệu tổng hợp HEA được phát triển trong nghiên cứu này nằm ở vùng chưa được sử dụng trước đây của biểu đồ cường độ chảy so với độ giãn dài.Ngoài ra, vật liệu tổng hợp được phát triển có nhiều sự kết hợp về độ bền (277 MPa, 1200 MPa, 1925 MPa và 2522 MPa) và độ giãn dài (>60%, 37%, 7,3% và 6,19%).Độ bền năng suất cũng là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng kỹ thuật tiên tiến63,64.Về vấn đề này, vật liệu tổng hợp HEA theo sáng chế thể hiện sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền chảy và độ giãn dài.Điều này là do việc bổ sung SiC mật độ thấp sẽ tạo ra vật liệu tổng hợp có cường độ năng suất riêng cao.Cường độ chảy riêng và độ giãn dài của vật liệu tổng hợp HEA nằm trong cùng phạm vi với HEA FCC và HEA chịu lửa, như trong Hình 11b.Độ cứng và cường độ năng suất của vật liệu tổng hợp được phát triển nằm trong phạm vi tương tự như đối với thủy tinh kim loại lớn65 (Hình 11c).Kính kim loại lớn (BMS) được đặc trưng bởi độ cứng và cường độ năng suất cao, nhưng độ giãn dài của chúng bị hạn chế66,67.Tuy nhiên, độ cứng và cường độ chảy của một số vật liệu tổng hợp HEA được phát triển trong nghiên cứu này cũng cho thấy độ giãn dài đáng kể.Do đó, người ta kết luận rằng vật liệu tổng hợp do VEA phát triển có sự kết hợp độc đáo và được ưa chuộng của các tính chất cơ học cho các ứng dụng kết cấu khác nhau.Sự kết hợp độc đáo của các tính chất cơ học này có thể được giải thích bằng sự phân tán đồng đều của các cacbua cứng được hình thành tại chỗ trong ma trận FCC HEA.Tuy nhiên, như một phần trong mục tiêu đạt được sự kết hợp sức mạnh tốt hơn, những thay đổi cấu trúc vi mô do việc bổ sung các pha gốm phải được nghiên cứu và kiểm soát cẩn thận để tránh các khuyết tật đúc, chẳng hạn như các khuyết tật được tìm thấy trong vật liệu tổng hợp S-5 và S-6, và độ dẻo.giới tính.
Kết quả của nghiên cứu này được so sánh với các vật liệu kết cấu và HEA khác nhau: (a) độ giãn dài so với cường độ chảy62, (b) ứng suất chảy cụ thể so với độ dẻo63 và (c) cường độ chảy so với độ cứng65.
Cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của một loạt vật liệu tổng hợp gốm HEA dựa trên hệ thống HEA CoCrFeNi với việc bổ sung SiC đã được nghiên cứu và rút ra kết luận sau:
Vật liệu tổng hợp hợp kim entropy cao có thể được phát triển thành công bằng cách thêm SiC vào CoCrFeNi HEA bằng phương pháp nấu chảy hồ quang.
SiC bị phân hủy trong quá trình nóng chảy hồ quang, dẫn đến sự hình thành tại chỗ các pha cacbua, silicua và than chì, sự hiện diện và tỷ lệ thể tích của chúng phụ thuộc vào lượng SiC được thêm vào HEA bazơ.
Vật liệu tổng hợp HEA thể hiện nhiều tính chất cơ học tuyệt vời, với các đặc tính nằm ở các khu vực chưa được sử dụng trước đây trên biểu đồ cường độ chảy so với độ giãn dài.Cường độ chảy của hỗn hợp HEA được tạo ra bằng cách sử dụng 6% trọng lượng SiC cao hơn tám lần so với HEA cơ bản trong khi vẫn duy trì độ dẻo 37%.
Độ cứng và cường độ năng suất của vật liệu tổng hợp HEA nằm trong phạm vi của kính kim loại khối (BMG).
Các phát hiện này cho thấy vật liệu tổng hợp hợp kim có entropy cao là một phương pháp đầy hứa hẹn để đạt được sự kết hợp tuyệt vời giữa các đặc tính cơ-kim loại cho các ứng dụng kết cấu tiên tiến.