Высокоэнтропийные сплавы (HEAs) благодаря своим выдающимся механическим свойствам, коррозионной стойкости и износостойкости демонстрируют широкие перспективы в инженерных приложениях, особенно привлекая внимание в области жаростойких и ударопрочных материалов. Однако, будучи относительно новыми износостойкими материалами, их атомарные механизмы трения и износа пока остаются недостаточно ясными, что ограничивает построение полноценной рамочной модели эволюции микроструктуры на мультискалярном уровне.

Несмотря на то что в предыдущих исследованиях были выявлены уникальные механизмы деформации HEAs при одноосном нагружении — такие как двунаправленное фазовое превращение FCC–HCP и перекристаллизация, индуцированная двойниками, — остаётся неясным, сохраняют ли эти механизмы свою применимость в условиях трения и сдвиговой деформации. Кроме того, процесс трения и износа связан со сложными многополевыми взаимодействиями — механическими, термическими и окислительными — а межмасштабные характеристики, охватывающие диапазон от макроскопических до атомарных масштабов, делают непосредственное наблюдение за эволюцией микроструктуры чрезвычайно трудным; для раскрытия их внутренних механизмов требуются передовые экспериментальные методы.

В отношении вышеуказанных вопросов, касающихся механизмов трения и износа высокэнтропийных сплавов (HEAs), исследовательская группа, в состав которой входят специалисты из Центрально‑Южного университета и Института металлов Китайской академии наук, провела углублённое исследование с использованием метода in situ‑TEM компании «ZEPTOOLS». С помощью экспериментов по трению в режиме сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии в условиях непосредственного контакта, совмещённых с молекулярно‑динамическим моделированием (MD), им впервые удалось раскрыть атомарно‑разрешённые динамические процессы в высокоэнтропийном сплаве Al0.1CoCrFeNi при трении и сдвиговой деформации. Данное исследование заполнило пробел в знаниях об атомарных механизмах трения в HEAs и предоставило экспериментальные и теоретические основы для понимания микроскопических механизмов повреждений износостойких материалов. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Materials Characterization под названием «Фазовый переход, индуцированный сильной градиентной сдвиговой деформацией в сплаве Al0.1CoCrFeNi».

В ходе исследования сначала с использованием технологии лазерного сплавления порошкового слоя (LPBF) были получены образцы сплава Al0.1CoCrFeNi, а затем с помощью in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии в процессе царапания вольфрамовым наконечником была исследована его динамическая реакция. Экспериментально установлено, что на трениях формируется аморфный слой толщиной около 5 нм, обусловленный кристалло‑аморфным переходом, вызванным чрезвычайно высокими значениями касательных деформаций (на поверхности — до 1,6, во внутренней части — снижается до 0,3). Более того, на глубине примерно 10 нм под поверхностью наблюдалась решеточная перекристаллизационная фазовая трансформация из ориентации [011] FCC в ориентацию [001] FCC; этот эффект напрямую связан с концентрацией и релаксацией деформаций в зонах пересечения стекловых дефектов (SFs).

С помощью высокоразрешающей ТЭМ‑анализа команда дополнительно раскрыла структуру промежуточных фаз, возникающих в ходе фазового превращения. Эти промежуточные фазы обусловлены решётчатыми деформациями, вызванными смещением атомов внутри плоскостей {111}: вдоль направления [2ī1] происходит сжатие, тогда как вдоль [211] — расширение, что приводит к асимметричному изменению углов между плоскостями (например, α1 и α3). Молекулярно‑динамическое моделирование подтвердило полученные экспериментальные данные, показав, что нанокристаллы FCC по направлению [001] преимущественно формируются на кончиках стек‑слойных дислокаций, причём их стабильность определяется степенью локальной релаксации деформационных напряжений. Кроме того, моделирование выявило значительное количество низкоугловых границ зерен и тетраэдров стек‑слойных дислокаций (SFT), которые, препятствуя движению дислокаций, повышают сопротивление последующей деформации сплава.

В заключении исследования была предложена механизмическая схема фрикционно‑индуцированного фазового превращения: под действием градиентной сдвиговой деформации атомы на {111}‑плоскостях сначала образуют стекловые дислокации; когда деформация в зоне пересечения SF‑дислокаций достигает критического значения, происходит фазовое превращение [011]→[001] за счёт поворота и реконструкции кристаллической решётки. Этот процесс сопровождается заметными изменениями параметров решётки (например, расширением оси c и сжатием осей a/b), что кардинально отличается от традиционного механизма перераспределения ориентации, обусловленного двойниковой деформацией.

Данная работа не только впервые продемонстрировала фазовые превращения в HEA при трении, но и предложила новый подход к разработке высокоэффективных износостойких сплавов: за счёт регулирования плотности стекловидных дефектов и градиента деформации возможно добиться самопроизвольного утончения зерен и их упрочнения в процессе трения. В дальнейших исследованиях целесообразно более подробно изучить закономерности фрикционных фазовых превращений в HEA различного состава, а также влияние совместного действия аморфной фазы и границ между кристаллитами на износостойкость.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использовавшееся в рамках данного исследования: