левенец 18.10.2017

1. СТРУКТУРА И АКУСТИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ
ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 И
CoCr26FeMnNi14
XIII МІЖНАРОДНА НАУКОВО-ТЕХНІЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ МОЛОДИХ ВЧЕНИХ
ТА ФАХІВЦІВ «ПРОБЛЕМИ СУЧАСНОЇ ЯДЕРНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ»
Харьков - 2017
Левенец А.В.
avlevenets@gmail.com

2. Мотивация
Развитие и строительство электростанций нового поколения
(INPRO, GEN IV, Russian BN-800, BN-1200, Terra Power Wave
reactor etc.) требуют решения проблем ядерного
материаловедения:
2
•Высокая коррозионная стойкость
• Высокие механические свойства
при
Высокие дозы облучения (150 -200 сна и выше)
Высокие температуры (600 – 700 оС)

3. Материалы для Next GEN реакторов
Феррито-мартенситные (ФМ) стали – относительно высокая
радиационная стойкость, но низкая прочность
Аустенитные (А) стали – относительно высокая прочность, но низкая
радиационная стойкость
Упрочненные оксидами (ODS) аустенитные и феррито-мартенситные
стали могут решить проблему достижения высокой радиационной
стойкости и высоких механических характеристик.
Новый класс материалов – высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) –
многокомпонентные сплавы – могут быть перспективным материалом
для реакторов нового поколения.
3

4. Что такое ВЭС?
«классическое определение»
ВЭС – сплавы, содержащие не менее 5 элементов, концентрация каждого из
которых находится в интервале 5 – 35 ат.%. Как правило, это эквиатомные
сплавы, например, CoCrFeMnNi. В литературе эти материалы называют также
«концентрированными мультикомпонентными сплавами».
Основное отличие ВЭС от обычных сплавов – отсутствие базового (основного)
металла.
Наличие в сплаве большого числа компонентов с высокой концентрацией
приводит к высокой конфигурационной энтропии смешения, которая
понижает свободную энергию системы. Это приводит к стабилизации одной
фазы – неупорядоченного твердого раствора с простой решеткой (как
правило, ГЦК или ОЦК).
4

5. Энтропия смешения ∆Smix и свободная
энергия ∆Gmix
5
𝐺 = 𝐻 − 𝑇𝑆
∆𝐺 𝑚𝑖𝑥 = ∆𝐻 𝑚𝑖𝑥 − 𝑇∆𝑆 𝑚𝑖𝑥 ∆𝑆 𝑚𝑖𝑥 = 𝑅 𝑙𝑛(𝑛) 𝑅 =8,31 J/(K‧mol)

6. Преимущества и особенности ВЭС
Широкий интервал изменения твердости (100 – 1100 HV);
Отличная коррозионная стойкость и сопротивление износу;
Высокое электросопротивление и низкий температурный коэффициент;
Термическая стабильность микроструктуры;
Отличное сопротивление температурному разупрочнению;
Высокая пластичность и вязкость разрушения при низких/сверхнизких Т;
Высокая способность к упрочнению при деформации;
Высокая радиационная стойкость ВЭС
6
Высокий уровень искажений кристаллической решетки
Низкие значения коэффициентов диффузии

7. Effects of compositional complexity on the ion-irradiation induced
swelling and hardening in Ni-containing equiatomic alloys
K.Jin1, C.Lu2, L.M.Wang2, J.Qu1, W.J.Weber1,3, Y.Zhang1,3, H.Bei1
1Material Science and Technology Division, Oak Ridge, National Laboratory, Oak Ridge, USA
2Nuclear Engineering and Radiological Sciences, University of Michigan, Ann Arbor, USA
3Department of Materials Science and Engineering, University of Tennessee, Knoxville, USA
В работе исследовалось влияние состава (от 2 до 5 компонент) на радиационное
распухание сплавов с Ni: NiCo, NiFe, NiCoCr, NiCoFe, NiCoFeCr и NiCoFeCrMn;
Образцы облучались ионами Ni2+ с энергией 3МэВ. Скорость создания смещений при
облучении составляла 3‧10-3 сна/с. Облучение проводилось при температуре 500 оС.
Профили повреждения и осаждения ионов никеля получали с использованием
программы SRIM-2013.
Распухание изучали с помощью оптического профилометра Wyko NT9100 3D
(разрешение 1 нм). Величину распухания считали численно равной высоте плато,
определенной с помощью линейного сканирования.
7
Scripta Materialia, Vol. 119, 2016

8. Распухание в концентрированных сплавах с
различным количеством компонентов
8
Значительный
рост
облученного
участка
В пределах погрешности 2 нм или шероховатости поверхности

9. ПЭМ областей с максимальным
распуханием
9
Несмотря на большую
плотность пор, значение
распухания много ниже,
чем у чистого Ni и NiFe
200 нм
Распухание NiCoFe и NiCoFeCrMn ~0,2% и 0,17%,
соответственно
Поры размером 200 нм
Соотносится с данными, полученными с помощью
оптического профилометра

10. Выводы по литературным данным и цель
работы
В случае облучения при 500 ° C разница в радиационном распухании ВЭС, по сравнению с
чистыми металлами и обычными сплавами на основе железа, очень существенна. Так,
распухание ВЭС CoCrFeMnNi в 40 ниже, чем у чистого никеля!
Для выяснения перспектив применения ВЭС в ядерных реакторах требуются всесторонние
исследования влияния различных структурных и энергетических характеристик на комплекс
физико - механических свойств, в первую очередь, на поведение ВЭС при механическом
нагружении и радиационном воздействии.
В частности, необходимо выяснить роль энергии дефекта упаковки, величина которой
значительно влияет как на механизм деформации материала, так и на его поведение под
облучением.
В качестве первого этапа таких исследований в данной работе изучены структурные
характеристики и механические свойства сплавов системы Co-Cr-Fe-Mn-Ni двух составов:
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 и Co20Cr26Fe20Mn20Ni14, которые примерно в 5 раз отличаются энергиями
дефекта упаковки (19,0 и 3,5 mJm-2, соответственно).
10

11. Получение сплавов системы
Co-Cr-Fe-Ni-Mn
11
Слитки высокоэнтропийных сплавов состава Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 и Co20Cr26Fe20Mn20Ni14
выплавлялись в дуговой печи в среде чистого аргона на медном водоохлаждаемом поду
с использованием нерасходуемого вольфрамового электрода.
Из полученных заготовок электроискровым способом вырезались образцы размером :
• Сжатие
• 4х4х3,8 мм3 – Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
• 5,7х6,04х4,3 мм3 – Co20Cr26Fe20Mn20Ni14
После образцы шлифовались на водостойкой абразивной бумаге зернистостью 600-1200
с последующей полировкой на бархате с алмазной пастой, разведенной бензином.

12. Фазовый состав сплавов
(рентгеноструктурный анализ)
12
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
Однофазный, присутствует только
ГЦК-фаза с параметром решетки
а = 3,5941 ± 6‧10 - 4 Å
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14
Однофазный, присутствует только
ГЦК-фаза с параметром решетки
а = 3,5830 ± 6‧10 - 4 Å.
1- Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
2 - Co20Cr26Fe20Mn20Ni14, отжиг при Т = 1000 °С 1 час

13. Микроструктура сплавов
(металлография и растровая микроскопия)
13
В литом состоянии
дендритная структура со
средним размером ветвей
дендрита 10-20 мкм. Отжиг 1000°С 24ч
Размер зерен в
рекристаллизованных образцах
7–8 мкм для Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
и
3–5 мкм для Co20Cr26Fe20Mn20Ni14.
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14

14. Механические свойства сплавов при испытании на
сжатие
14
Предел текучести сплавов
практически одинаков.
Максимальная
нагрузка, кН
Предел текучести,
МПа
Временное
сопротивление,
МПа
Относительная
деформация
Относительная
деформация
поперечного
сечения
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
10 260,3 522,5 при 0,14 0,14 – 14% 0,185 при 0,14
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14
55,9 250 1455 при 0,345 0,345 – 34,5% 0,402 при 0,345
64,2 260 1661 при 0,373 0,373 – 37,3% 0,418 при 0,373
60,2 230 2098 при 0,443 0,443 – 44,3% 0,505 при 0,443
65,2 230 2536 при 0,489 0,489 – 48,9% 0,564 при 0,489
Сплавы – пластичные, т.е.
нет точки временного
разрушения, после предела
текучести переход в зону
упрочнения.

15. Истинные диаграммы сжатия
сплавов
15
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14

16. Диаграммы деформационного упрочнения сплавов
16
Поведение типично для ГЦК: Резкое падение на начальном участке
и дальнейшее постепенное уменьшение
1. резкий спад с минимумом при е ≈ 0,2;
2. дальнейшее постепенное уменьшение
коэффициента.
2
Для сплава Co20Cr26Fe20Mn20Ni14 наблюдается 2
степени изменения коэффициента упрочнения:
1

17. Акустическая эмиссия при деформации сплавов
системы Co-Cr-Fe-Ni-Mn сжатием
17
Акустическая эмиссия начинает регистрироваться сразу после начала деформации.
Активность АЕ растет с увеличением деформации и в области деформаций
0,025 – для Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 и 0,04 – для Co20Cr26Fe20Mn20Ni14 присутствуют максимумы.
Акустическую эмиссию регистрировали на многоканальном акустическом комплексе М400.
При испытании на сжатие образцы деформировались со скоростью 0,2 мм/мин.
21
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14

18. Резкое увеличение количества
импульсов – появление
двойникования
18
Начало регистрации АЕ ниже
предела текучести
связано с количеством
благоприятно ориентированных
зерен для деформации
Активность акустической эмиссии сплавов при
деформировании
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14

19. Амплитудное распределение сигналов АЭ на разных
этапах сжатия
19
Практически двукратная разница количества высокоамплитудных сигналов
Начало деформации
Конец деформации
2
1
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14

20. Результаты и выводы
20
 Получены образцы ВЭС состава Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 и Co20Cr26Fe20Mn20Ni14. Выявлено, что сплавы
Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 и Co20Cr26Fe20Mn20Ni14– однофазные с з ГЦК-решеткой и параметром решетки
а = 3,5941 ± 6‧10 - 4 Å и а = 3,5830 ± 6‧10 - 4 Å, соответственно. Однофазное состояние созхраняется и
в рекристаллизованных образцах, которые подвергались механическим испытаниям.
 Установлено, то в литом состоянии образцы имеют дендритную структуру со средним размером
ветвей дендрита 10-20 микрон. Размер зерен в рекристаллизованных образцах, напротив, составил
7–8 мкм для Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 и 3–5 мкм для Co20Cr26Fe20Mn20Ni14.
 Проведенный анализ акустических параметров сплавов при деформации сжатием позволил
установить, что в сплаве CoCr26FeMnNi14 с более низким значением энергии дефектов упаковки при
высокой степени деформации возникают высокоамплитудные сигналы, которые, скорее всего,
свидетельствуют о появлении двойникования.
 Следующим этапом испытаний предполагается изучение поведения сплавов Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 и
Co20Cr26Fe20Mn20Ni14 под облучением.

21. Благодарю за внимание!
21