세라믹

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21486(2022) 이 기사 인용

1961년 액세스

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CoCrFeNi는 잘 연구된 FCC(면심입방형) 고엔트로피 합금(HEA)으로 우수한 연성을 나타내지만 강도는 제한적입니다. 본 연구는 아크 용융 경로를 사용하여 다양한 양의 SiC를 추가하여 이 HEA의 강도-연성 균형을 개선하는 데 중점을 둡니다. 베이스 HEA에 존재하는 크롬은 용융 중에 SiC의 분해를 일으키는 것으로 밝혀졌습니다. 결과적으로, 유리 탄소와 크롬의 상호작용은 크롬 탄화물의 현장 형성을 초래하는 반면, 유리 실리콘은 베이스 HEA의 용액에 남아 있거나 베이스 HEA의 구성 요소와 상호작용하여 규화물을 형성합니다. SiC 양이 증가함에 따라 미세 구조상의 변화는 fcc → fcc + 공융 → fcc + 크롬 탄화물 판 → fcc + 크롬 탄화물 판 + 규화물 → fcc + 크롬 탄화물 판 + 규화물 + 흑연 소구체/박편의 순서를 따르는 것으로 나타났습니다. 기존 합금 및 고엔트로피 합금과 비교하여 결과 복합재는 매우 광범위한 기계적 특성(60% 이상의 연신율을 갖는 277MPa의 항복 강도부터 6% 연신율을 갖는 2522MPa까지)을 나타내는 것으로 나타났습니다. 개발된 고엔트로피 복합재 중 일부는 기계적 특성(항복 강도 1200MPa, 37% 연신율)의 뛰어난 조합을 보여주었으며 항복 강도 대 연신율 맵에서 이전에 달성할 수 없었던 영역을 차지했습니다. 상당한 연신율 외에도 HEA 복합재의 경도와 항복 강도는 벌크 금속 유리와 동일한 범위에 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 고엔트로피 복합재의 개발은 고급 구조 응용을 위한 탁월한 기계적 특성 조합을 얻는 데 도움이 될 수 있다고 믿어집니다.

고엔트로피 합금 설계는 야금 분야에서 유망한 새로운 개념입니다1,2. 고엔트로피 합금(HEA)은 높은 열 안정성3,4, 초소성 연신율5,6, 피로 저항7,8, 내식성9,10,11, 우수한 마모12 등 물리적, 기계적 특성의 탁월한 조합을 나타내는 경우가 있는 것으로 나타났습니다. 13,14,15 및 마찰 특성15,16,17 및 고온18,19,20,21,22 및 극저온23,24,25에서도 우수한 기계적 성능을 발휘합니다. HEA에서 기계적 특성의 탁월한 조합은 일반적으로 높은 구성 엔트로피, 심각한 격자 왜곡, 느린 확산 및 칵테일 효과라는 4가지 핵심 효과가 존재하기 때문입니다. HEA는 일반적으로 FCC, BCC, HCP 유형으로 분류됩니다. FCC HEA는 일반적으로 Co, Cr, Fe, Ni 및 Mn과 같은 전이 원소를 포함하고 있으며 (극저온 조건에서도25) 우수한 연성을 나타내지만 강도는 낮습니다. BCC HEA는 일반적으로 W, Mo, Nb, Ta, Ti 및 V와 같은 고밀도 원소로 구성되어 매우 높은 강도를 나타내지만 연성이 낮고 비강도가 낮습니다.

기계적 특성의 더 나은 조합을 얻기 위해 기계적 처리, 열기계적 처리 및 요소 추가를 기반으로 하는 HEA의 미세구조적 변형이 연구되었습니다. 고압 비틀림을 통한 CoCrFeMnNi FCC HEA의 심한 소성 변형은 경도(520HV)와 강도(1950MPa) 모두에서 큰 증가를 가져오는 것으로 밝혀졌지만 나노 결정질 미세 구조(~50nm)의 개발로 합금이 만들어졌습니다. 부서지기 쉬운31. CoCrFeMnNi HEA에 쌍정 유도 가소성(TWIP) 및 변형 유도 가소성(TRIP)을 도입하면 우수한 변형 경화 능력을 부여하여 실제 극한 인장 강도 값이 낮음에도 불구하고 큰 인장 연성을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다. (1124MPa)32. CoCrFeMnNi HEA에서 계층적 미세구조(얇은 변형층과 변형되지 않은 코어로 구성)를 개발하기 위해 쇼트 피닝을 사용하면 강도가 증가했지만 개선은 약 700 MPa로 제한되었습니다. 강도와 연성의 더 나은 조합을 갖춘 재료를 찾는 과정에서 비등원자 원소 첨가를 사용한 다상 고엔트로피 합금 및 공융 고엔트로피 합금의 개발도 연구되었습니다34,35,36,37,38,39,40,41 . 공융 고엔트로피 합금에서 경질 및 연질 상이 미세하게 분포되어 있으면 실제로 강도와 연성의 상대적으로 더 나은 조합이 발생하는 것으로 나타났습니다35,38,42,43.

60%, 37%, 7.3% and 6.19%) combinations. Specific yield strength is also an important consideration in shortlisting materials for advanced engineering applications63,64. In this regard, the present HEA composites exhibit excellent combinations of specific yield strength and elongation. This is because addition of low density SiC results in composites with high specific yield strength. The specific yield strength and elongation of the HEA composites lie in the same range as that for FCC HEAs as well as for refractory HEAs, as shown in Fig. 11b. The hardness and yield strength of the developed composites lie in the same range as found for bulk metallic glasses65 (Fig. 11c). High hardness and yield strength are characteristic features of bulk metallic glasses (BMGs), but they exhibit limited elongation66,67. The hardness and yield strength of some of the HEA composites developed in the present study, however, also exhibit significant elongation. It is therefore concluded that the as-developed HEA composites offer a unique and a highly sought-after package of mechanical properties that can be useful for different structural applications. This unique combination of mechanical properties can be attributed to the uniform dispersion of hard carbides formed in-situ in the FCC HEA matrix. Microstructural modification resulting from the addition of ceramic phase needs, however, to be carefully studied and controlled to avoid casting defects, such as those found for the S-5 and S-6 composites, as part of the goal to obtain better combinations of strength and ductility./p>

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