Российские материаловеды впервые провели прямое наблюдение за процессом деформации высокоэнтропийного сплава CoCrCuFeNi с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Им удалось в режиме реального времени зафиксировать, как зарождаются и распространяются трещины, и точно определить самое уязвимое место в структуре материала. Оказалось, что «ахиллесовой пятой» являются крупные включения меди. Это открытие объясняет давнее противоречие: почему добавление меди, которая сама по себе является одним из самых пластичных металлов, на практике не только не повышает пластичность сплава, но зачастую даже снижает её, а в ряде случаев — и прочность.
Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) — это новый класс материалов, построенных по иному принципу, чем традиционные сплавы. Если в классической металлургии есть основа, к которой добавляют небольшие количества легирующих элементов, то в ВЭС нет главного компонента: они состоят как минимум из пяти химических элементов, взятых в приблизительно равных концентрациях. Именно такое строение обеспечивает высокую прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость и устойчивость к радиации. Поэтому ВЭС перспективны для авиакосмической техники, атомной энергетики, химического машиностроения и особенно для микроэлектромеханических систем (MEMS) и датчиков.
Среди множества изученных ВЭС особое место занимает сплав CoCrCuFeNi, который привлекает исследователей и инженеров экономической доступностью компонентов, технологичностью и хорошей совместимостью элементов. Казалось бы, именно этот сплав должен был стать одним из первых кандидатов для промышленного внедрения. Однако на практике его механические свойства оказались скромнее, чем у аналогов. Этот разрыв между ожиданиями и реальностью долгие годы сдерживал активное применение сплавов CoCrCuFeNi в ответственных изделиях, особенно в миниатюрных устройствах, где надёжность материала критична. Причины этого парадокса до недавнего времени оставались предметом дискуссий в научном сообществе. Для решения этого вопроса требовался метод, позволяющий наблюдать процесс разрушения с субатомным разрешением.
Чтобы разобраться в причинах, учёные НИТУ МИСИС совместно с коллегами из ИНМЭ РАН и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий, применили метод, который до недавнего времени был доступен лишь нескольким лабораториям мира. Они провели испытания на растяжение микрообразцов сплава внутри просвечивающего электронного микроскопа и наблюдали за изменениями в структуре в режиме реального времени с нанометровым разрешением. Такой приборный комплекс позволил «увидеть», где зарождается трещина и как движутся дефекты под нагрузкой. Наблюдения дали однозначный ответ: с самого начала деформации вся активность сосредоточена исключительно внутри медных зерен. Именно там возникает локализация напряжений, а затем и трещина, которая приводит к разрушению. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Journal of Materials Science (Q1).
«Полученные результаты объясняют, почему увеличение содержания меди часто приводит к ухудшению механических свойств сплава. Чем больше в структуре крупных медных включений, тем выше вероятность локального разрушения под нагрузкой. Особенно важны эти данные для микро- и наноразмерных устройств. В миниатюрных элементах электроники, датчиках и микромеханических системах размеры отдельных структурных составляющих материала могут быть сопоставимы с размерами самого изделия. В таких условиях даже одна сравнительно уязвимая область способна стать причиной разрушения всей конструкции», — пояснил д.т.н. Евгений Левашов, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСИС-ИСМАН.
Установленный механизм даёт чёткие ориентиры для инженеров. Для того, чтобы подавить негативное влияние медной фазы, можно снизить концентрацию меди в сплаве до пределов её растворимости либо использовать особые методы обработки сплава — быстрый нагрев и охлаждение, искровое плазменное спекание, аддитивные технологии. Эти подходы позволяют получить сплавы без крупных медных сегрегаций. Кроме того, повышение содержания никеля увеличивает растворимость меди, что также снижает риск образования опасных включений. Таким образом, данная работа предоставляет разработчикам не просто объяснение проблемы, но и готовые рецепты для её решения.
Интересно отметить, что те же самые медные включения могут сыграть и положительную роль в других материалах. В недавней работе этих же авторов, посвящённой композитам с алмазом, было показано, что наличие медных прослоек повышает вязкость разрушения. Дело в том, что мягкая медь работает как своеобразный демпфер — она гасит напряжения и «принимает удары» на себя, позволяя композиту выдерживать более высокие нагрузки. Так что даже «отрицательный» эффект можно обратить на пользу при правильном инженерном решении.
«Результаты нашего исследования не только раскрывают механизм разрушения одного из наиболее распространённых высокоэнтропийных сплавов, но и создают основу для разработки новых материалов с улучшенным сочетанием прочности и пластичности. Такие материалы могут найти применение в алмазосодержащих композитах и инструментах, защитных покрытиях, энергетике и других высокотехнологичных отраслях», — отметил д.т.н. Павел Логинов, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10144-П).
