トイレの微細構造の進化と機械的特性評価

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9822 (2022) この記事を引用

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5 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ハイエントロピー合金 (HEA) は、機械的特性の優れた組み合わせを示す可能性を示した比較的新しいクラスの材料です。要求の厳しい構造用途での使用に向けて、機械的特性をさらに強化するために、さまざまな微細構造の変更が検討されています。現在の研究の主な焦点は、アルゴン雰囲気下でのアーク溶解による強靱な HEA マトリックス (CoCrFeNi) への硬質セラミック材料 (WC) のさまざまな量の添加の影響 (微細構造変化を含む) の調査と、WC 添加の評価です。機械的特性について。 HEA-WC 複合材料の X 線回折分析では、fcc 相と炭化物相の両方が存在することが示されました。エネルギー分散分光法を含む走査型電子顕微鏡の調査により、クロムがマトリックスから拡散し、WC と相互作用して合金化炭化物相を形成することが明らかになりました。合金化された炭化物の量は、HEA マトリックスへの WC の添加量が増加するにつれて増加することが判明しました。機械的特性評価により、HEA-WC 複合材料の硬度と降伏強度は、マトリックス中の炭化物相の量が増加するにつれて増加することが明らかになりました。 HEA-20wt.% WC サンプルの硬度は、ベース HEA の硬度 (180 HV) の 3.3 倍 (593 HV) も高いことが判明し、降伏強さはベース HEA の 278 MPa からベース HEA の 1098 MPa に増加しました。 CoCrFeNi-20 wt.% WC 複合材料。調査した複合材料は、優れた延性値も示しました (CoCrFeNi-10 wt% WC では約 50% のひずみ、CoCrFeNi-20 wt% WC では約 20% のひずみ)。したがって、セラミック強化高エントロピー母材複合材料は、要求の厳しい構造用途に対して優れた機械的特性の組み合わせを提供する可能性を秘めていると考えられています。

強度と靭性は、高荷重に安全に耐えるための構造材料に必要な 2 つの重要な特性です。しかし、多くの材料では強度の向上には延性のある程度の犠牲が必然的に伴い、それに対応して靱性が失われます。例えば、粗粒ニッケル金属をナノスケールまで結晶粒微細化すると、降伏強度がわずか 53 MPa から 1.3 GPa に増加しますが、その代償として延性が大幅に低下します (5% 未満まで)。 1. この強度と延性のトレードオフを克服するために、さまざまな試みが行われてきました。この点で試みられている注目すべきアプローチには、不均一ナノ構造 2 または階層的微細構造 3,4 の開発、ナノ析出強化 5、オーステンパリング 6、球状化 7 の使用、さらに変態誘起塑性 (TRIP)8 または双晶化を促進する合金設計が含まれます。誘起可塑性 (TWIP)9,10。それにも関わらず、強度と延性のトレードオフは依然として未解決の問題であり、従来の合金の機械的特性はその能力の限界に近づきつつあるようです。

高エントロピー合金 (HEA) は、4 つまたは 5 つ以上の元素が等量同時に存在することに基づく比較的新しい種類の材料を形成します 11,12。 HEA は、4 つの特徴的な効果、つまり配置エントロピー、深刻な格子歪み、緩慢な拡散、およびカクテル効果の存在によって特徴付けられます 11、13、14。これらの効果は、従来の合金と比較して、優れた熱安定性、耐食性、疲労強度に加え、超塑性伸びや極低温でも優れた機械的特性などの特性の優れた組み合わせの原因であると考えられています12、15、16、17。 18、19、20、21、22、23、24、25、26。 HEA は、強度と延性の強化された組み合わせを示す可能性も示しています。 fcc HEA では、強度は限られていますが、優れた延性が達成できますが、bcc HEA では、強度は高くても延性が限られていることが報告されています。したがって、HEA の強度と延性の組み合わせをさらに強化するために、以下を含む HEA を設計することで、さまざまな試みが行われています。 fcc と bcc の両方の固溶体相では、いくつかの有望な結果がすでに達成されています 27,28,29。格子間固溶体によって強化された HEA の開発も検討されています。 HEA マトリックスに窒素 30、酸素 31、炭素 32、33 原子を添加すると、強度が向上すると報告されていますが、延性が制限されます。 TRIP 効果を利用した HEA も、機械的特性のより良い組み合わせを追求して開発されています 8,34,35。応力下での準安定相の変態は、破壊に対する抵抗力を向上させることが報告されている場合もありますが、現時点では、この点で良好な結果を示すシステムはほんのわずかしか示されていません 8,34。 HEA 内の勾配階層微細構造 36 によって接続された薄い変形層と未変形コアの開発も、延性を向上させることが示されましたが、それに対応する強度の増加はわずかでした。さらに、硬質相と軟質相の微細なラメラからなる共晶 HEA も、さまざまな合金設計戦略を採用することによって開発されています。 HEA におけるこのような共晶微細構造の使用は、有望な結果を示しています。ただし、HEA の共晶微細構造の設計と制御は、複数の元素が同時に存在するため、非常に困難な作業です。

99.95%) were used as raw materials. Metal powders with varying additions of WC powder (0, 5, 10, or 20 wt%) were mixed in an agate mortar, followed by arc melting under a high-purity argon atmosphere to produce HEA composite buttons of 20 g weight. Each composition was re-melted five times, with samples flipped over after each melting to ensure chemical homogeneity. Measurements taken before and after melting showed a weight difference of less than 0.5%. Sectioning of the HEA composite buttons for characterization of mechanical properties, as well as for investigation of the phase composition, microstructure and chemical analysis, was carried out using electrical discharge wire cutting. Samples for microstructural evaluation were carefully prepared using standard metallographic preparation procedures and then etched with aqua regia. The microstructure was examined both using an optical microscope (OPTIKA-600) and a scanning electron microscope (SEM; JEOL JSM-6490LA and VEGA-3), equipped with a Bruker energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) system. Crystal structure characterization of the composites was carried out using an X-ray diffraction (XRD) system, operated with a CuKα source at a step size of 0.04°. Vickers microhardness measurements were performed on polished cross-sectional surfaces using a 136° Vickers diamond pyramid indenter. The Vickers hardness (HV0.3) was measured under 300 N force using a 15 s dwell time. Room temperature compression testing was performed using a SHIMADZU universal testing machine with tests carried out at an initial strain rate of 1 × 10–3 s−1./p>

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