Ceramica

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21486 (2022) Citare questo articolo

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CoCrFeNi è una lega ad alta entropia (HEA) cubica a facce centrate (fcc) ben studiata che mostra un'eccellente duttilità ma solo una resistenza limitata. Il presente studio si concentra sul miglioramento dell'equilibrio resistenza-duttilità di questo HEA mediante l'aggiunta di quantità variabili di SiC utilizzando un percorso di fusione ad arco. Si è scoperto che il cromo presente nella base HEA provoca la decomposizione del SiC durante la fusione. Di conseguenza, l'interazione del carbonio libero con il cromo determina la formazione in situ di carburo di cromo, mentre il silicio libero rimane in soluzione nella base HEA e/o interagisce con gli elementi costitutivi della base HEA per formare siliciuri. Si è scoperto che i cambiamenti nelle fasi microstrutturali con l'aumento della quantità di SiC seguono la sequenza: fcc → fcc + eutettico → fcc + piastrine di carburo di cromo → fcc + piastrine di carburo di cromo + siliciuri → fcc + piastrine di carburo di cromo + siliciuri + globuli/scaglie di grafite. In confronto alle leghe convenzionali e ad alta entropia, è stato riscontrato che i compositi risultanti presentano una gamma molto ampia di proprietà meccaniche (resistenza allo snervamento da 277 MPa con allungamento superiore al 60% a 2522 MPa con allungamento del 6%). Alcuni dei compositi ad alta entropia sviluppati hanno mostrato un'eccellente combinazione di proprietà meccaniche (resistenza allo snervamento 1200 MPa con allungamento del 37%) e hanno occupato regioni precedentemente irraggiungibili in una mappa della resistenza allo snervamento rispetto all'allungamento. Oltre al loro significativo allungamento, si è scoperto che la durezza e la resistenza allo snervamento dei compositi HEA rientrano nello stesso intervallo di quelli dei vetri metallici sfusi. Si ritiene pertanto che lo sviluppo di compositi ad alta entropia possa aiutare a ottenere eccezionali combinazioni di proprietà meccaniche per applicazioni strutturali avanzate.

La progettazione di leghe ad alta entropia rappresenta un nuovo concetto promettente nel campo della metallurgia1,2. In alcuni casi è stato dimostrato che le leghe ad alta entropia (HEA) presentano un'eccezionale combinazione di proprietà fisiche e meccaniche, tra cui elevata stabilità termica3,4, allungamento superplastico5,6, resistenza alla fatica7,8, resistenza alla corrosione9,10,11, eccellente usura12, 13,14,15 e proprietà tribologiche15,16,17 e buone prestazioni meccaniche anche ad alte temperature18,19,20,21,22 e temperature criogeniche23,24,25. Combinazioni eccezionali di proprietà meccaniche negli HEA sono generalmente attribuite alla presenza di quattro effetti fondamentali, ovvero elevata entropia configurazionale26, grave distorsione reticolare27, diffusione lenta28 ed effetti cocktail29. Gli HEA sono generalmente caratterizzati come di tipo FCC, BCC e HCP. Gli HEA FCC contengono tipicamente elementi di transizione come Co, Cr, Fe, Ni e Mn e mostrano un'eccellente duttilità (anche in condizioni criogeniche25) ma hanno una bassa resistenza. Gli HEA BCC sono generalmente costituiti da elementi ad alta densità, come W, Mo, Nb, Ta, Ti e V presentano una resistenza molto elevata, ma hanno una bassa duttilità e una bassa resistenza specifica30.

Sono state esplorate modifiche microstrutturali degli HEA basate su lavorazione meccanica, lavorazione termomeccanica e aggiunte di elementi al fine di ottenere migliori combinazioni di proprietà meccaniche. È stato riscontrato che una grave deformazione plastica del CoCrFeMnNi FCC HEA attraverso la torsione ad alta pressione determina un grande aumento sia della durezza (520 HV) che della resistenza (1950 MPa), ma lo sviluppo della microstruttura nano-cristallina (~ 50 nm) ha reso la lega fragile31. È stato scoperto che l'introduzione della plasticità indotta dal gemellaggio (TWIP) e della plasticità indotta dalla trasformazione (TRIP) nel CoCrFeMnNi HEA conferisce una buona capacità di incrudimento, con conseguente grande duttilità a trazione, anche se a costo di bassi valori di vera resistenza alla trazione finale (1124 MPa)32. L'uso della pallinatura per sviluppare una microstruttura gerarchica (costituita da un sottile strato deformato e un nucleo non deformato) in un CoCrFeMnNi HEA ha comportato un aumento della resistenza, ma il miglioramento è stato limitato a soli circa 700 MPa33. È stato esplorato anche lo sviluppo di leghe multifase ad alta entropia e di leghe eutettiche ad alta entropia utilizzando addizioni elementari non equiatomiche nella ricerca di materiali con migliori combinazioni di resistenza e duttilità34,35,36,37,38,39,40,41 . Si è infatti scoperto che una distribuzione fine delle fasi dure e morbide nelle leghe eutettiche ad alta entropia dà luogo a combinazioni relativamente migliori di resistenza e duttilità35,38,42,43.