ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ CO-CR-FE-NI-MN С ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ И ПЛАСТНОСТЬЮ (заключительный)

Объект исследования – высокоэнтропийные сплавы на основе Fe40Mn40Cr10Co10. Цель работы – данный проект направлен на решение фундаментальной научной задачи, связанной с созданием новых конструкционных металлических материалов с низкой плотностью и перспективными для практических применений механическими свойствами на основе высокоэнтропийных сплавов и разработки методов их синтеза и обработки. В ходе термодинамического моделирования сплавов на основе Fe40Mn40Cr10Co10 (в ат.%), легированных азотом, азотом и ванадием было установлено, что добавка азота должна приводить к выделению богатых хромом и азотом частиц с гексагональной структурой, а также снижать температуру сольвуса сигма фазы. Дополнительное легирование ванадием приводит к формированию богатых ванадием и азотом ГЦК и Z фаз, замещающих богатую хромом и азотом гексагональную фазу. Также было установлено, что легирование азотом до 3 ат.% не должно приводить с существенному изменению энергии дефекта упаковки. Методом вакуумного индукционного литья были изготовлены слитки сплавов Fe40Mn40Cr10Co10 (далее будут обозначаться по содержанию азота, N0) Fe39,5Mn40Co10Cr10N0,5 (N0,5), Fe39Mn40Co10Cr10N1 (N1) и Fe38Mn40Co10Cr10N2 (N2). В литом состоянии сплав N0, помимо ГЦК фазы, содержит незначительное количество сигма фазы. Легирование азотом приводит к формированию однофазной ГЦК структуре. Также при увеличении концентрации азота приводит к росту ГЦК зерен от 40 мкм до 200-300 мкм. Показано, легирование азотом приводит к повышению твердости и прочности сплавов при комнатной температуре, причем если для твердости наблюдается линейная зависимость между ее величиной и содержанием азота, то для предела текучести эта зависимость имеет гиперболический характер. Пластичность сплавов имеет немонотонную зависимость от содержания азота при комнатной температуре, достигая максимального значения 88% в сплаве N0. Снижение температуры испытаний до криогенной приводит к росту прочности сплавов, одновременно со снижением пластичности. Например, сплавы N1 и N2 разрушались хрупко при испытаниях на растяжение. Исследование деформационной микроструктуры показала, что пластическая деформация всех сплавов сопровождалась развитием деформационного двойникования, что коррелирует с оцененной величиной энергии дефекта упаковки. Были изготовлены сплавы, легированные азотом и ванадием: Fe39,75Mn39,5Cr10Co10N0,5V0,5, Fe39,5Mn39Cr10Co10N0,5V1 и Fe39Mn38Cr10Co10N1V2 (в ат.%). Далее сплавы будут обозначаться в соответствии с концентрацией азота и ванадия как N0,25V0,5, N0,5V1 и N1V2, соответственно. Показано, что в литом состоянии сплав N0,25V0,5 имел однофазную ГЦК структуру. При увеличении концентрации азота и ванадия в ГЦК матрице сплавов выделяются частицы нитрида ванадия типа V2N с гексагональной структурой. В сплаве N1V2 дополнительно формируются крупные частицы сульфида марганца. Повышение концентрации легирующих элементов способствовало увеличению прочности и некоторому снижению пластичности при комнатной температуре. В свою очередь снижение температуры испытаний до криогенной приводило к заметному повышению прочности. Однако сплав N0,5V1 при криогенной температуре хрупко разрушился, тогда как остальные сплавы сохранили достаточную пластичность. Для «базового» сплава холодная прокатка и последующий отжиг в течение 10 минут при 700-1000˚С приводил к развитию рекристаллизации в ГЦК матрице и выделению частиц сигма-фазы. Количество сигма-фазы уменьшалось с повышением температуры термической обработки. При добавлении азота склонность к образованию сигма-фазы снижалась, однако в сплавах N1 и N2 наблюдалось выделение гексагональных частиц нитридов типа M2N. Размер рекристаллизованных ГЦК зерен слабо зависел от содержания азота в сплавах, но увеличивался с повышением температуры отжига. Было показано, что что кинетика роста зерен для сплавов N0 и N1 описывалась функцией с показателем степени n>4, который соответствует процессу, контролируемому диффузией по границам зерен. Сплавы N0,25V0,5 и N0,5V1 были прокатаны при комнатной температуре до 80% деформации без разрушения, в то время как сплав N1V2 разрушился в ходе холодной прокатки при степени деформации ~ 50%. После прокатки сплавы N0,25V0,5 и N0,5V1 имели схожую ламеллярную структуру с отдельными полосами сдвига. Последующая термическая обработка при температурах 700-1100°С приводила к (i) развитию. рекристаллизационных процессов в ГЦК матрице и (ii) выделению частиц вторых фаз. Сформировавшаяся после отжига структура, при температурах ниже 900°С, была частично рекристаллизована, также по границам исходных ламелей выделялись частицы сигма фазы. Повышение температуры отжига приводило к формированию полностью рекристаллизованной структуры. Также в сплаве N0,5V1 после отжига при 800°С выделяются частицы гексагональной фазы типа V2N. Для сплавов с азотом холодная прокатка приводила к заметному упрочнению, но практически полной потере пластичности. Интересно отметить, что сплав N0 после отжигов при температурах 700 и 800˚С продолжительностью 10 минут, несмотря на развитие рекристаллизации, также обладал низкой пластичностью. Низкая пластичность была связана с выделением большого количества сигма фазы. В целом, прочность при комнатной температуре возрастала с увеличением содержания азота и снижалась с увеличением температуры отжига, а пластичность демонстрировала обратную зависимость. Анализ показал, что прочность сплавов после деформационно-термической обработки определяется суперпозицией зернограничного упрочнения и твердорастворного упрочнения атомами азота. Наилучшие свойства при криогенной температуре продемонстрировал сплав N0,5 после отжига при 900˚С в течение 10 минут: предел текучести 1182 МПа, предел прочности 1576 МПа, и относительное удлинение 27%. После прокатки сплавы N0,25V0,5 и N0,5V1 обладали высокой прочностью, но низкой пластичностью. Отжиг при температурах ниже 900°С приводил к хрупкому разрушению на начальных стадиях деформации из-за выделения большого количества сигма-фазы. Отжиг при более высоких температурах приводил к более сбалансированному сочетанию прочности и пластичности. При этом увеличение концентрации азота и ванадия приводило к росту прочности. Так, после отжига при температуре 1000°С пределы прочности сплавов N0,25V0,5 и N0,5V1 были 627 МПа и 822 МПа, при пластичности 89% и 53%, соответственно. Анализ механизмов упрочнения показал, что основной вклад в прочность сплавов вносит зернограничное упрочнение. Двухступенчатый отжиг, включающий отжиг при 1000°С в течение 10 минут и последующее “старением” при 800°С в течение 1 и 5 часов, оказал ограниченное влияние на структуру и механические свойства сплавов N0,25V0,5 и N0,5V1. В плаве N0,25V0,5 “старение” способствовало выделению нитридов типа V2N, а в сплаве N0,5V1 “старение” приводило к выделению частиц сигма фазы и увеличению числа нитридов. При этом продолжительность отжига не оказывала заметного влияния на микроструктуру. Также, двухступенчатый отжиг приводил к некоторому снижению прочности. Сплав N0,25V0,5 после деформационно-термической обработки, включающей в себя отжиг 900°С в течение 10 минут, показал высокие механические свойства: предел прочности 709 / 1250 МПа при комнатной / криогенной температуре, удлинение до разрушения 66 / 25%, и ударную вязкость 92 / 328 Дж/см2, что значительно превосходит требования стандарта EN 10028-4 для никельсодержащих сталей для работы при пониженных температурах. Также сплав обладает обладал высоким пределом выносливости при комнатной температуре на базе 107 - 430 МПа.