По мере стремительного развития передовых производственных отраслей требования к свойствам материалов неуклонно возрастают, особенно растёт потребность в материалах, обладающих одновременно высокой прочностью и высокой пластичностью. В материаловедении распространённым подходом повышения прочности является увеличение сопротивления движению дислокаций. Границы зерен, благодаря внесённым ими изменениям ориентации кристаллической решётки между соседними зернами и присущей им беспорядочности, обычно препятствуют скольжению дислокаций. Однако традиционный метод упрочнения за счёт повышения доли границ зерен имеет определённые ограничения: при уменьшении размера зерен механизмы деформации могут переключаться с дислокационного скольжения на скольжение и миграцию границ зерен, что затрудняет дальнейшее повышение прочности материала.

Таким образом, вопрос о том, как проектировать и управлять микроструктурой материалов с целью повышения их прочности без ущерба для пластичности, представляет собой одну из важнейших задач современных исследований в области материаловедения.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа из Чжэцзянского университета провела углублённые исследования с использованием систем непрерывных измерений в режиме TEM и SEM компании «ZEPTOOLS». Им был разработан высокоэнтропийный сплав (MPEAs) состава Cr30Co30Ni30Al5Ti5, в котором сочетаются внутрикристаллитные и границы зерен наноосадки. Используя многошаговые, трёхмерные и in situ‑методы электронной микроскопии в сочетании с вычислительным моделированием, исследовательская группа установила, что наноосадки на границах зерен играют ключевую роль в повышении прочности и стимулировании дислокационной пластичности этого материала. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Journal of Materials Science & Technology под заголовком «Достижение высокой прочности и большой пластичности в сплаве Cr30Co30Ni30Al5Ti5 за счёт межзеренной осадки»; полная версия статьи доступна по ссылке: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.07.029.

Основное содержание данной работы сосредоточено на разработке и исследовании нового высокопроцентного энтропийного сплава Cr30Co30Ni30Al5Ti5, который благодаря тщательно продуманной термической обработке и контролю микроструктуры обеспечивает одновременно высокую прочность и значительную пластичность. Исследовательская группа с использованием многомасштабных, трёхмерных и in situ‑методов электронной микроскопии, а также методов вычислительного моделирования, глубоко проанализировала структурные особенности наноразмерных интерфаз на границах зерён в этом сплаве и их влияние на механические свойства материала.

Основной вывод исследования заключается в том, что сложный состав сплава приводит к образованию химической неоднородности, которая на границах зерен инициирует формирование сложных фазовых структур. В частности, перераспределение Ti, Al и Cr на границах зерен может выступать ключевым фактором, запускающим непрерывную реакцию осаждения. Эти наноосадочные фазы состоят из множества компонентов с различным составом и структурой; при этом их кристаллические плоскости весьма хорошо согласуются с требованиями дислокационного скольжения, что обеспечивает непрерывное перемещение дислокаций между различными фазовыми структурами.

Кроме того, исследование показало, что, несмотря на структурную сложность наноразмерных осадков на границах зерен, они не только повышают прочность сплава, но и способствуют прямому переносу дислокаций, а также множественным механизмам скольжения и перекрёстного скольжения в процессе деформации. Такая структура создаёт колеблющееся напряжённое поле вблизи границ зерен, усиливая эффект упрочнения и стимулируя размножение и накопление дислокаций. В конечном счёте полученный материал демонстрирует предел текучести около 1010 МПа и предел прочности на растяжение примерно 1500 МПа, при этом обладает выдающимся удлинением при разрыве — 41 % — и проявляет исключительную способность к работе упрочнения.

Данное исследование не только раскрывает потенциал оптимизации соотношения прочности и пластичности материалов за счёт упрочнения на границах зерён наноразмерными выделениями, но и подчёркивает стратегию использования сложного химического состава для формирования сложной функциональной микроструктуры, что обеспечивает новую теоретическую и экспериментальную основу для разработки высокопроизводительных сплавов.

Компания «Аньхой ZEPTOOLS» — отечественный производитель высокоточных приборов премиум‑класса, являющийся ведущим поставщиком решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов, представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлены используемые в данном исследовании in situ‑устройства:

Кольцевой образцовый стержень для непосредственного растяжения PicoFemto FS01-ST