Interstitiella atomer möjliggör ledningsförening och transformationsinducerad plasticitet i starka och duktila högentropi-legeringar | vetenskapliga rapporter

Interstitiella atomer möjliggör ledningsförening och transformationsinducerad plasticitet i starka och duktila högentropi-legeringar | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Karakterisering och analytiska tekniker
  • Design, syntes och bearbetning
  • Mekaniska egenskaper
  • Metaller och legeringar
  • Skanna elektronmikroskopi

Abstrakt

Hög-entropi-legeringar (HEA) som består av flera principelement ger en väg för att förverkliga exceptionella mekaniska, fysiska och kemiska egenskaper. Vi rapporterar en ny strategi för att utforma en ny klass av HEA som innehåller det extra interstitiella elementet kol. Detta resulterar i gemensam aktivering av tvilling- och transformationsinducerad plasticitet (TWIP och TRIP) genom att ställa in matrisfasens instabilitet i en metastabil TRIP-assisterad dubbelfas HEA. Förutom TWIP och TRIP drar sådana legeringar nytta av en massiv substitutionell och interstitiell solid lösning som förstärks samt av den sammansatta effekten som är förknippad med dess dubbelfasstruktur. Nanosize-partikelbildning och kornstorleksreduktion används också. Den nya mellanliggande TWIP-TRIP-HEA förenar alltså alla metalliska förstärkningsmekanismer i ett material, vilket leder till dubbelt draghållfasthet jämfört med en enfas HEA med liknande sammansättning men ändå med identisk duktilitet.

Introduktion

Att utforska starka och ändå duktila material är avgörande för att minska vikten och därmed energiförbrukningen i alla fält där mobila strukturer används 1, 2 . Emellertid är styrka och duktilitet hos nuvarande konstruktionsmaterial generellt motstridande 3, vilket begränsar traditionella legeringsdesignstrategier. Under de senaste åren har legeringar med hög entropi (HEA) dragit stor uppmärksamhet eftersom det öppnar ett helt nytt område av kompositionsmöjligheter för att utforma nya material med exceptionella egenskaper 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 . HEA: er föreslogs ursprungligen att innehålla flera huvudelement i nästan ekvimolära förhållanden för att stabilisera enfasiga fasta lösningar genom att maximera konfigurationsentropin 4, 5 . Nyligen, motiverat av det faktum att maximerad konfigurationsentropi inte är den enda faktorn som bestämmer fasstabilitet för HEA: s 12, 13, 14, 15, 16, en ny metastabil transformationsinducerad plasticitets dual-phase (TRIP-DP) HEA med exceptionell styrka och duktilitet har utvecklats 6, 17 . Baserat på detta tillvägagångssätt föreslår vi en ny klass av HEA som är interstitialt legerat och förenar alla kända metalliska förstärkningsmekanismer i ett material. Vi använder kol som mellanliggande element i linje med två huvudtrender som kan dras från tidigare studier på avancerade stål:

  1. Först leder tillägget av mellanliggande kol i en nyligen utvecklad TRIP-DP-HEA 6 till en ökning av stapling av felenergi och därmed fasstabilitet 18 . Stämning av stabiliteten hos den ansiktscentrerade kubiska (fcc) matrisfasen i dubbelfasstrukturen till en kritisk punkt utlöser den twinning-inducerade plasticiteten (TWIP) -effekten samtidigt som TRIP-effekten upprätthålls, varigenom legeringens töjningshärdningsförmåga ytterligare 19, 20

  2. För det andra har HEA: er en stor fördel av förstärkning av interstitiell fast lösning istället för endast den etablerade massiva stärkningen av solid lösning som tillhandahålls av dess flera principelement 4, 5 . Detta beror på omständigheterna att kol, kväve och andra mellanrum leder till mycket högre gitterförvrängningar än substitutionella element som starkt påverkar deras interaktion med förskjutningar 21, 22 .

Vi producerade den interstitiella HEA (iHEA) genom att smälta och gjuta i en vakuuminduktionsugn med användning av rena metaller och kol med nominell sammansättning Fe 49, 5 Mn 30 Co 10 Cr 10 C 0, 5 (vid%). Den gjutna legeringen varmvalsades, homogeniserades och släcktes med vatten. Ytterligare kornraffinering uppnåddes genom kallvalsning och glödgning i Ar-atmosfären. Den kemiska bulkkompositionen för iHEA uppmätt med våtkemisk analys är Fe 49, 01, Mn 29, 87, Co 10, 22, Cr 10, 34 och C 0, 56 (allt i%).

Resultat och diskussion

Grovkornig iHEA

Figur la visar röntgendiffraktions- (XRD) och elektron-backscatter diffraktion (EBSD) -mönstren för det grovkornade iHEA efter homogenisering. Legeringen har en dubbel-fas mikrostruktur bestående av en fcc y-matris (med ~ 160 mikrometer kornstorlek) och en laminathexagonal nära packad (hcp) ε-fas (som sträcker sig från flera nm till 100 mikrometer i tjocklek). De energidispersiva röntgenspektroskopikartorna (EDS) och motsvarande bakspridda elektron (BSE) -bilden i Fig. 1b avslöjar att alla element (Fe, Mn Co, Cr och C) är jämnt fördelade när de undersöks vid korn- skala. Analysen av elektronkanaliseringskontrastavbildning (ECCI 23 ) i fig. 1c visar att staplingsfel och hcp-fas i fcc-matrisen uppvisar mycket lik orientering, vilket är förenligt med tidigare resultat, nämligen att staplingsfel fungerar som kärnor i hcp-fasen 6, 24 . Atomprobe tomography (APT) -spetsar lyfts ut från ett korngränsområde, markerade på EBSD-faskarta i fig. La med användning av metoden som beskrivs i ref. 25. Detta var för att utesluta möjligheten att elementär partitionering av nanometer skala och bekräfta distributionen av kol (tilläggsfiguren S1) eftersom EDS-metoden har en relativt låg upplösning på ljuselement. Analysen avslöjar att den undersökta volymen har en total sammansättning av Fe 49, 63 Mn 27, 27 Co 11, 65 Cr 10, 86 C 0, 59 (vid%), vilket visar värden som överensstämmer med den nominella bulkkompositionen. Ingen uppenbar elementär segregering observerades (kompletterande fig. S1), vilket bekräftar den enhetliga fördelningen av alla element också i nanometerskala. EDS- och APT-uppgifterna visar också att båda faserna har samma nivå av substitutionellt och interstitiellt fast lösningsinnehåll.

( a ) XRD- och EBSD-mönster avslöjar att strukturen består av fcc- och hcp-faser (DP-struktur). ( b ) EDS-kartor och BSE-bilder från regionen markerad i ( a ) visar enhetliga fördelningar av alla element i kornskalan. ( c ) ECCI-analys visar staplingsfel och hcp-fas i fcc-matrisen. Tredimensionella APT-spetsrekonstruktioner tagna från det område som är markerat i ( a ) ges i tilläggsfiguren S1.

Bild i full storlek

Kornraffinerad iHEA

Efter kallvalsning och omkristallisationsglödgning förfinades den genomsnittliga kornstorleken för iHEA från cirka 160 um till ungefär 4, 0 um och hcp-fasfraktionen minskade till 0, 7 area% enligt EBSD-analys (fig. 2a). Intressant nog, enligt ECC-bilden och EDS-kartorna i fig. 2b, har nanopartiklar med en genomsnittlig storlek av 50 ~ 100 nm och berikat med Cr men uttömd med Fe visat sig vara slumpmässigt fördelade i matrisen, snarare än klusterade på korn gränser. De kemiska kompositionerna av nanopartiklarna testades med APT, såsom visas i fig. 2c för ett gränsytande område mellan en partikel och matrisen. APT-data visar 47, 16 Cr, 17, 82 Mn, 13, 64 Fe, 1, 92 Co och 19, 46 C (vid%) partikelkomposition, vilket antyder att de är M 23 C6 karbider (M: Cr, Mn, Fe och Co). Fcc-strukturen för dessa M 23 C6-karbider har bekräftats genom TEM-analys (se kompletterande figur S3). Sådana karbider i nanostorlek har potential att bidra starkt till legeringens 26, 27 hållfasthet . Dessutom är C-partitionen mellan matrisen och M 23 C6-karbiderna. APT-data visar att ~ 0, 35 vid% C är i matrisen, medan karbiderna har en volymfraktion av ~ 1, 5 volymprocent, beräknat från flera ECC-bilder. I kombination är C-innehållet i överensstämmelse med resultaten av legeringens totala C-innehåll i bulklegeringen (~ 0, 56 vid% erhållet genom kemisk analys). Dessutom observerades en korngräns som kännetecknades av en lätt utarmning av Cr intill nanokarbiden, såsom visas i fig. 2c (vänster sida). Denna observation indikerar att karbiden företrädesvis kan absorbera något mer Cr från korngränsen än från kornets inre under kärnbildning och tillväxt på grund av snabbare diffusion längs korngränsen 28 .

( a ) XRD- och EBSD-mönster avslöjar fcc-matrisen och en liten fraktion av hcp-fasen före deformation. ( b ) ECC-bild och EDS-kartor som motsvarar den identiska regionen markerad i ( a ) visar att de nano-stora partiklarna berikade med Cr är slumpmässigt fördelade i mikrostrukturen. ( c ) APT-spetsrekonstruktion som avslöjar elementära fördelningar över ett partikel-matrisgränssnitt och vid en angränsande korngräns; 5 vid% C och 7, 5 vid% Cr iso-koncentrationsytor användes för att belysa nano-karbid respektive spannmålsgränsen. Kalibreringen av APT-spetsrekonstruktionen baserad på interplanärt avstånd visas i den kompletterande fig. S2.

Bild i full storlek

Dragformationsbeteende

Figur 3a visar rumstemperaturens dragkurvor för iHEA: erna i grovkorniga (# 2, som homogeniserade, kornstorlek ~ 160 μm) och kornraffinerade (# 1, omkristalliserade, kornstorlek ~ ~ 4 μm) . Kurvorna för de nyligen utvecklade TRIP-DP-HEA 6 i grovkornade (# 4) och kornraffinerade (# 3) tillstånd, enfas ekviatomisk FeMnCoCrNi HEA 7 i kornraffinerat tillstånd (# 5) och enfas HEA som innehåller kol 20 i grovkornigt tillstånd (# 6) presenteras som referens för att understryka förbättringen av egenskaperna. Vi observerar att även den grovkornade iHEA (nr 2, kornstorlek på ~ 160 mikrometer) visar överlägsen mekanisk respons, det vill säga högre töjning och identisk slutstyrka jämfört med den grovkornade TRIP-DP-HEA (# 4, korn storleken på ~ 45 μm). Dessutom visar den betydligt högre töjning och slutstyrka jämfört med den grovkornade enfasiga HEA med samma kolhalt (# 6, kornstorlek ~ 115 μm) 20 . Efter kornförädling uppvisar iHEA (nr 1) betydande förbättringar i både utbyte och ultimat hållfasthet, medan den bibehåller samma förlängning jämfört med dess grovkorniga motsvarighet (# 2). Även om den kornraffinerade iHEA (nr 1) har en något lägre töjning jämfört med den kornraffinerade TRIP-DP-HEA (# 3), visar den ~ 100 MPa (~ 15%) högre utbyte och slutlig styrka. Dessutom är draghållfastheten för den kornraffinerade iHEA nästan dubbelt så stor som den motsvarande enfas ekviatomiska FeMnCoCrNi-legeringen, medan deras förlängningsvärden under dragbelastning är identiska.

GS avser kornstorleken. ( a ) Tekniker för spänningstöjningskurvor; data för Fe 50 Mn 30 Co 10 Cr 10 (vid%) TRIP-DP-HEA (ref. 6), enfas Fe 20 Mn 20 Ni 20 Co 20 Cr 20 (vid%) och Fe 19, 9 Mn 19, 9 Ni 19, 9 Co 19, 9 Cr 19, 9 C 0, 5 (vid%) HEA (ref 7 respektive 20) visas för referens. ( b ) Stamhärdning för samma grupp legeringar. Insatsen visar den ökade stabiliteten i fcc-fasen vid kornraffinering. Datapunkterna i insättningen är medel ± standardavvikelse för 3 test.

Bild i full storlek

Figur 3b avslöjar motsvarande töjningshärdningsrespons med avseende på den verkliga töjningen i de olika HEA: erna. Alla icke-ekviatomiska FeMnCoCr HEA, både med och utan kol, uppvisar högre töjningshärdningshastighet än motsvarande ekviatomiska FeMnCoCrNi HEA över hela lastningsområdet. Under de tidiga deformationsstadierna uppvisar den kornraffinerade iHEA (# 1) högre töjningshärdning än motsvarande kornraffinerade TRIP-DP-HEA (# 3), men den visar något lägre töjningshärdning vid senare deformationsstadier. Dessutom uppvisar den kornraffinerade iHEA (nr 1) högre töjningshärdning än dess grovkorniga motsvarighet (# 2), särskilt under de tidiga stadierna av deformation. Detta är förknippat med påverkan av kornstorleken på fcc-fasstabiliteten (se inlägg i fig. 3b), som också observerats för en tidigare utvecklad TRIP-DP-HEA 17 .

Deformationsmekanismer

Dessa förbättringar i iHEA: s mekaniska egenskaper jämfört med substitutionella HEA: er beror på de multipla förstärkningsmekanismerna som är aktiva i det nya materialet. I det följande diskuterar vi dessa mekanismer för fallet med den kornraffinerade iHEA i fråga om observationer från EBSD (fig. 4a), ECCI (fig. 4b) och EDS (fig. 4c).

( a ) EBSD-faskartor som avslöjar deformation-inducerad martensitisk transformation som en funktion av deformation; nivåerna för lokal stam ( e loc ) på 10%, 40%, 60% och 90% motsvarar de tidiga, medelhöga och sena enhetliga deformations- och efterhalsstadierna. ( b ) ECCI-analys som avslöjar deformationsinducerade tvillingar, stapling av fel och dislokationer i fcc-fasen; SF och DS avser staplingsfel respektive dislokationer. ( c ) ECCI och EDS avslöjar närvaron av karbider berikade med Cr i mikrostrukturen; Observera att EDS-kartan (höger sida) visar en något större partikelstorlek på grund av bilddrift under högförstoring av EDS-kartläggning under lång tid; EDS-kartan över Cr tillhandahålls snarare än den för C, eftersom EDS har lägre upplösning på C än på metalliska element.

Bild i full storlek

EBSD-faskartorna (fig. 4a) visar att den metastabla fcc-fasen i iHEA genomgår en belastningsinducerad martensitisk transformation från fcc till hcp-fasen som en primär deformationsmekanism som påverkar hela bulkmatrisen. Fraktionen av den transformerade hcp-fasen vid halsningsstadiet ( e loc = 90%) är 36, 5% (i area%), vilket är mycket lägre än vad som observerats för de substitutionella TRIP-DP-HEA: erna (area%> 75%) 6, 17 . Denna observation visar att fcc-fasen i iHEA har en högre stabilitet än i TRIP-DP-HEA 6 . Redan under tidig enhetlig deformation ( e loc = 10%) observeras nano-twinning i iHEA som en väsentlig additiv deformationsmekanism (Fig. 4b). I den funktionen skiljer sig det nya materialet från det tidigare undersökta TRIP-DP-HEA, i vilket nano-twinning inträffar endast i hcp-fasen vid senare deformationssteg 6 . Dessutom observeras stora mängder staplingsfel och förskjutningar med plant glidbeteende även i de tidiga enhetliga deformationsstegen (se fig. 4b). Den ökade tvilling- och fasgränsdensiteten som skapas av dessa omvandlingshändelser inducerar en dynamisk mikrostruktureringseffekt som ger ytterligare hinder mot dislokation och bidrar därigenom till förbättrad töjningshärdning 19 . ECC-bilden och EDS-kartan avslöjar också nano-karbider i mikrostrukturen (fig. 4c), vilket antyder en Orowan-förstärkande effekt på grund av dislokation som böjde sig runt partiklarna 26, 27 . Deformationsmikromekanismerna i den as-homogeniserade grovkornade interstitiella TWIP-TRIP-HEA är liknande som i den kornraffinerade HEA. Huvudskillnaden är att den grovkornade HEA inte visar förstärkning av Orowan (se fig. 1b och kompletterande fig. S3).

Figur 5 visar den exceptionella styrka-duktilitetskombinationen som hittades för mellanliggande TWIP-TRIP-HEA. Materialet uppvisar en väsentlig skadetolerans, som här kännetecknas av total töjning multiplicerad med den ultimata draghållfastheten, överstiger den för de flesta metalliska material. Dess styrka överstiger styrkan för TRIP-DP-HEAs 6 och ger betydligt högre töjning jämfört med nederbörd härdade HEAs 29 .

All data härrör från uniaxiella dragprovningar som utfördes på bulkmaterial vid rumstemperatur. Medan konventionella legeringar använder förstärkningsmekanismer som korngränser, dubbelfasstruktur, förskjutningsinteraktioner, fällningar och fast lösning (t.ex. stål, Ti-legeringar, legeringar) kombinerar de nya mellanliggande TWIP-TRIP-HEA: erna alla tillgängliga förstärkningseffekter i en koncept, nämligen interstitiell och substitutionell solid lösning, TWIP, TRIP, flera faser, utfällningar, förskjutningar, staplingsfel och korngränser.

Bild i full storlek

De förbättrade mekaniska egenskaperna (fig. 3) och de tillhörande multipla deformationsmekanismerna (fig. 4) bekräftar framgången för den nya konstruktionsmetoden och dess potentiella ekonomiska livskraft eftersom interstitiella legeringselement är mycket billigare jämfört med substitutionella legeringselement. De nya interstitiella TWIP-TRIP-HEA-enheterna förenar alla kända metallurgiska förstärkningseffekter i ett enda bulkmaterial: i) massiv substitutionell solid lösningsförstärkning på grund av flera principelement (dvs. Fe, Mn, Co och Cr); ii) mellanliggande fast lösning förstärkning med kol; iii) mikrokompositeffekt från dubbelfasstruktur; iv) förstärkning av nano-partiklar från nano-karbider (fig. 2b och 4c); v) nano-twinning inducerad plasticitetseffekt (TWIP) (fig. 4b); vi) förskjutande transformationsinducerad plasticitetseffekt (TRIP) (fig. 4a); vii) bildning av staplingsfel (fig. 4b); viii) minskning av kornstorlek (ökad korngränsdensitet); och härdning av dislokation (Fig. 4b).

Slutsatser

Våra resultat visar ett nytt koncept för legeringsdesign av interstitiella TWIP-TRIP-HEA. Den utmärkta styrka-duktilitetskombinationen av dessa nya material har mycket stor potential att bryta det omvända styrka-duktilitetsförhållandet. På grund av den unika kombinationen av förstärkningsmekanismer som har åberopats och alternativet för interstitiellt driven inställning av fas (in) stabilitet finns ytterligare optimeringspotential till hands. Ett sådant brett spektrum av deformations- och förstärkningsmekanismer har faktiskt aldrig förverkligats i ett enda bulkmaterial hittills. Dessutom syntetiserades den interstitiella TWIP-TRIP-HEA som beskrivs här genom enkel tillsats av interstitiellt kol under väl etablerade bulkmetallurgiska processer som finns tillgängliga över hela världen inom metallurgiska industrier, varför sådana legeringar lätt kan realiseras i kommersiella verksamheter.

metoder

Materialberedning

Götarna i den mellanliggande TWIP-TRIP-HEA med dimensioner 25 × 60 × 65 mm 3 gjutes först i en vakuuminduktionsugn med användning av rena metaller och kol (> 99, 8% rent) till förutbestämda nominella kompositioner (Fe 49, 5 Mn 30 Co 10). Cr 10 C 0, 5, %). Prover med måtten 10 × 25 × 60 mm 3 som bearbetades från det ursprungliga gjutet varmvalsades därefter vid 900 ° C till en tjocklekreduktion på 50% (tjockleken ändrades från 10 till 5 mm). Efter varmvalsning homogeniserades proverna vid 1200 ° C under 2 timmar i Ar-atmosfär följt av vattenkylning. För att förfina kornstorleken kyldvalsades proverna ytterligare till en tjockleksreduktion på 60% och glödgades därefter vid ugntemperaturen 900 ° C under 3 minuter i Ar-atmosfär följt av vattenkylning. Observera att den verkliga temperaturen som proverna faktiskt nådde under glödgningen kan vara lägre än ugntemperaturen (900 ° C) på grund av den korta glödgningstiden.

Mikrostrukturell och elementär karaktärisering

Mikrostrukturerna hos legeringen i homogeniserade (grovkornade) och omkristalliserade (kornraffinerade) tillstånd analyserades med användning av olika metoder. Röntgendiffraktionsmätningar (XRD) mätningar utfördes med användning av en röntgenstråleutrustning ISO-DEBYEFLEX 3003 utrustad med Co Ka (X = 1, 788965 Å) strålning som arbetade vid 40 kV och 30 mA. Mätningar av elektronbakspridningsdiffraktion (EBSD) utfördes med ett Zeiss-Crossbeam XB 1540 FIB-skanningselektronmikroskop (SEM) med en Hikari-kamera och TSL OIM-datainsamlingsprogramvaran. Back-scattered electron imaging (BSEI) and electron channeling contrast imaging (ECCI, ref. 23) analyser utfördes på ett Zeiss-Merlin-instrument. Den kemiska bulkkompositionen för den interstitiella TWIP-TRIP-HEA mättes genom våtkemisk analys. Elementarfördelningarna i homogeniserade och omkristalliserade legeringar undersöktes med användning av energispridande röntgenspektroskopi (EDS) och atomsondtomografi (APT) (LEAP 3000X HR, Cameca Inc.). Undersökningar av transmissionselektronmikroskopi (TEM) genomfördes på elektrokemiskt framställda prover med användning av ett Philips CM20-mikroskop som opererades vid 200 kV.

Mekanisk karaktärisering

Rektangulära hundbensformade prover för dragprovning, med en tjocklek av 1 mm, bearbetades från legeringsarken vid olika bearbetningsförhållanden genom elektrisk urladdningsbearbetning. Mätlängden och bredden hos dragproven var 10 respektive 2, 5 mm. Uniaxiala dragprov utfördes med användning av ett Kammrath & Weiss dragsteg med en konstruktionsstamhastighet av 1 × 10 −3 s −1 . Grupper av tre prover för varje bearbetningsförhållande testades dragprovning vid rumstemperatur (293 K). Den lokala stamutvecklingen under dragprovning bestämdes med digital bildkorrelationsmetod (DIC) med användning av Aramis system (GOM GmbH). Deformationsmikrostrukturerna i de sprickade dragproven undersöktes av EBSD och ECCI vid olika regioner med olika lokala stamnivåer.

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : Li, Z. et al . Interstitiella atomer möjliggör ledningsförening och transformationsinducerad plastisitet i starka och duktila högentropi-legeringar. Sci. Rep. 7, 40704; doi: 10.1038 / srep40704 (2017).

Förlagets anmärkning: Springer Nature förblir neutral när det gäller jurisdiktionskrav i publicerade kartor och institutionella anslutningar.

Kompletterande information

Word-dokument

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.