Dynamisk deformasjon, skade og svikt i HfZrTiTaAl-serien med høy-entropi-legeringer

Aug 08, 2025 Legg igjen en beskjed

WechatIMG13

Høy-entropilegeringer er en ny type legeringsmateriale som består av fire eller flere hovedelementer i ekvimolare eller nesten ekvimolare proporsjoner [1-2]. På grunn av deres unike struktur og høye-entropiegenskaper, viser de overlegne mekaniske egenskaper sammenlignet med tradisjonelle legeringsmaterialer [3-7]. Konseptet med legeringer med høy-entropi ble først foreslått av professor Jien-Wei Yeh fra Taiwan i 2004 [8]. Basert på designkonseptet for legeringer med høy-entropi, har Senkov et al. [9] forberedte ildfaste legeringer med høy-entropi med ildfaste metallelementer som hovedkomponenter. Disse legeringene forblir stabile ved høye temperaturer og har høy styrke og tetthet, og tiltrekker seg stor oppmerksomhet [10-11]. Gong Lei et al. [12] studerte de mekaniske egenskapene til den kvaternære CrMoNbV ildfaste høy-entropilegeringen og fant at dens flytestyrke under kvasi-statiske forhold var 1410 MPa, med relativt liten plastisk deformasjon og en typisk spaltningsbruddmorfologi ved bruddoverflaten. Zhang et al. [13] undersøkte effekten av Ti-innhold på de mekaniske egenskapene til CoCrMoNbTi-legeringer med høy-entropi. Blant dem hadde CoCrMoNbTi0.2 den beste omfattende ytelsen, med trykkstyrke og bruddtøyning på henholdsvis 1 906 MPa og 5,07 %. Regenberg et al. [14] studerte MoNbVWTi-legeringer med høy-entropi, som har høy flytegrense under kvasi-statiske forhold, og deres flytegrense påvirkes hovedsakelig av innholdet av Mo og Nb, men de har dårlig duktilitet. Det kan sees at selv om de ildfaste høy-entropilegeringene nevnt ovenfor har høy styrke, er plastisiteten deres under kvasi-statiske forhold dårlig, noe som begrenser anvendelsesområdet. Ved å legge til IVB-gruppeelementer (Hf, Zr, Ti), forventes det å forbedre plastisiteten til legeringer med høy-entropi. For eksempel HfZrTiTa [15], HfNbTaTiZr [16], HfNbTiZr [17] og HfNbTiVZr [18]. Disse legeringene med høy-entropi kan brukes i dynamiske lastemiljøer, og deres dynamiske mekaniske oppførsel har vakt oppmerksomhet. Dirras et al. [19] studerte den mekaniske oppførselen til ekvimolare TiHfZrTaNb høy-entropilegeringer under forskjellige tøyningshastigheter. Flytegrensen ved en belastningstøyningshastighet på 3,4×103 s-1 var 40 % høyere enn under kvasi-statiske belastningsforhold. Etter hvert som tøyningshastigheten økte, avtok dessuten spredningen av de adiabatiske skjærbåndene inne i prøvene gradvis, det vil si at tettheten til skjærbåndene ble gradvis redusert og tykkelsen økte gradvis. Zhang et al. [20] designet og forberedt HfZrTiTa-legeringer med høy-entropi. Flytegrensen og bruddtøyningen til HfZrTiTa0.5 høy-entropilegering under kvasi-statiske belastningsforhold var henholdsvis 774 MPa og 13,5 %. Dens flytestyrke viste en betydelig tøyningshastighetsforsterkende effekt. Samtidig ble den termiske plastiske ustabiliteten og adiabatiske skjærfølsomheten til legeringen under dynamisk belastning diskutert. Song et al. [21] målte flytegrensen til HfNbZrTi høy-entropilegering under kvasi-statiske forhold til å være 780 MPa. Når belastningstøyningshastigheten var 3,0×103 s-1, økte flytegrensen til 1380 MPa. Gjennom en kombinasjon av eksperimenter og numeriske simuleringer ble det funnet at skademykning var hovedfaktoren i dannelsen av adiabatiske skjærbånd i denne legeringen. Tatt i betraktning at Al har god plastisitet og på grunn av cocktaileffekten blant elementer i legeringer med høy-entropi, forventes tilsetning av Al å ytterligere forbedre den plastiske deformasjonsevnen til materialet [22]. I denne artikkelen ble en ny HfZrTiTaAl høyentropi-legering designet og fremstilt. Mikrostrukturen til legeringen ble karakterisert ved røntgendiffraksjon (XRD), skanningselektronmikroskopi (SEM), elektron-tilbakespredningsdiffraksjon (EBSD) og transmisjonselektronmikroskopi (TEM). De dynamiske mekaniske egenskapene til HfZrTiTaAl høyentropi-legeringen ble systematisk analysert ved bruk av en splitt Hopkinson-trykkstang (SHPB). Dessuten ble Johnson-Cook (JC) konstitutive modellparametere og materialskademodellparametere oppnådd gjennom numerisk simulering, og deformasjonen, skaden og sviktatferden til materialet under dynamiske belastningsforhold ble analysert.