Випуски $\rightarrow$ Том 25, випуск 3 (2024)

Особливості твердорозчинного зміцнення та температурної залежности критичного напруження зсуву в бінарних і багатокомпонентних стопах

ФІРСТОВ С.О., РОГУЛЬ Т.Г.

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, вул. Омеляна Пріцака, 3, 03142 Київ, Україна

Отримано 21.03.2024, остаточна версія 26.07.2024 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
У роботі представлено аналізу твердорозчинного зміцнення бінарних і багатокомпонентних твердих розчинів (у тому числі високоентропійних стопів (ВЕС)); розглянуто уявлення про композиційно-кластерну будову бінарних твердих розчинів з необмеженою розчинністю, на основі якого запропоновано рівняння, що описує концентраційну залежність критичного напруження зсуву; наведено результати порівняльної аналізи температурних залежностей критичного напруження зсуву (межі плинности) для ряду бінарних і багатокомпонентних твердих розчинів й чистих металів з ОЦК- та ГЦК-ґратницею; розглянуто можливі механізми появи «плато» на температурній залежності критичного напруження зсуву для бінарних і багатокомпонентних твердих розчинах й чистих металах; обговорюється специфіка атермічного зміцнення ВЕС і запропоновано відносно простий вираз для оцінювання їхнього атермічного зміцнення; розглянуто можливості використання методів рентґенографічної аналізи для визначення середньоквадратичних зміщень атомів з ідеальних положень у вузлах кристалічної ґратниці $\sqrt{U^2}$ та мікроспотворень кристалічної ґратниці $\varepsilon$ у багатокомпонентних твердих розчинах.

Ключові слова: бінарні та багатокомпонентні стопи, твердорозчинне зміцнення, межа плинности, критичне напруження зсуву.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.25.03.545

Citation: S.O. Firstov and T.G. Rogul, Features of Solid-Solution Hardening and Temperature Dependence of the Critical Shear Stress in Binary and Multicomponent Alloys, Progress in Physics of Metals, 25, No. 3: 545–569 (2024)

Цитована література   
  1. N.F. Mott and F.R.N. Nabarro, Report of a Conference on the Strength of Solids (London: The Physical Society: 1948).
  2. J. Friedel, Dislocations (Oxford: Pergamon, Elsevier: 1964). https://doi.org/10.1016/C2013-0-02250-5
  3. P. Haasen, Mechanical Properties of Solid Solutions, Physical Metallurgy (Fourth, Revised and Enhanced Edition) (Eds. R.W. Cahn and P. Haasen) (Elsevier: 1996), Vol. 3, Ch. 23, p. 2009. https://doi.org/10.1016/B978-044489875-3/50028-4
  4. J.P. Hirth and J. Lothe, Theory of Dislocations (New York: McGraw-Hill: 1968).
  5. R.L. Fleischer and W.R. Hibbard, Conference on Relation of Structure to Mechanical Properties of Metals (Teddington: National Physical Laboratories National Physical Laboratories: 1964).
  6. M. Z. Butt and P. Feltham, J. Mater. Sci., 28: 2557 (1993). https://doi.org/10.1007/BF00356192
  7. J.W. Yeh, S.K. Chen, S.J. Lin, J.Y. Gan, T.S. Chin, T.T. Shun, and C.H. Tsau, Adv. Eng. Mater., 6, No. 5: 299 (2004). https://doi.org/10.1002/adem.200300567
  8. J.W. Yeh, Yu-L. Chen, Su-J. Lin, and S.-K. Chen, Mater. Sci. Forum, 560: 1 (2007). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.560.1
  9. K.H. Huang, A Study on the Multi-Component Alloy System Containing Equal-mole Elements (Thesis for Master Degree) (National Tsing Hua University in Taiwan: 1995).
  10. Y. Zhang and Y. J. Zhou, Mater. Sci. Forum, 561–565: 1337 (2007). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.561-565.1337
  11. Y. Zhang, Mater. Sci. Forum, 654–656: 1058 (2010). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.1058
  12. S.A. Firstov, V.F. Gorban’, and N.A. Krapivka, Vestnik SamGTU. Ser. Fiziko-Matematicheskie Nauki (Samara: 2009), p. 19 (in Russian).
  13. S. Praveen and H.S. Kim, Adv. Eng. Mater., 20, No. 1: 1700645 (2017). https://doi.org/10.1002/adem.201700645
  14. H. Zhang, Y. Zhao, S. Huang, S. Zhu, F. Wang, and D. Li, Materials, 12, 720: 2 (2019). https://doi.org/10.3390/ma12050720
  15. Y. Chen, Yu. Li, X. Cheng, C. Wu, Bo Cheng, and Z. Xu, Materials, 11, 208: 2 (2018).
  16. O.N. Senkov, G.B. Wilks, D.B. Miracle, C.P. Chuang, and P.K. Liaw, Intermetallics, 18: 1758 (2010). https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.05.014
  17. M.-H. Tsai, Entropy, 18: 252 (2016). https://doi.org/10.3390/e18070252
  18. D.B. Miracle and O.N. Senkov, Acta Mater., 122: 448 (2017). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081
  19. Yu-Sheng Tian, Wen-Zhe Zhou, Qing-Biao Tan, Ming-Xu Wu, Shen Qiao, Guo-Liang Zhu, An-Ping Dong, Da Shu, and Bao-de Sun, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 32: 3487 (2022).
  20. A.C. Yeh, T.K. Tsao, Y.J. Chang, K.C. Chang, J.W. Yeh, M.S. Chiou, S.R. Jian, C.M. Kuo, W.R. Wang, and H. Murakami, Int. J. Metall. Mater. Eng., 1: 107 (2015). https://doi.org/10.15344/2455-2372/2015/107
  21. H.M. Daoud, A.M. Manzoni, N. Wanderka, and U. Glatzel, JOM, 67: 2271 (2015). https://doi.org/10.1007/s11837-015-1484-7
  22. I. Toda-Caraballo and P.E.J. Rivera-Díaz-del-Castillo, Acta Mater., 85: 14 (2015). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.11.014
  23. C. Varvenne, A. Luque, and W.A. Curtin, Acta Mater., 118: 164 (2016). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.040
  24. Z.G. Wu, Y.F. Gao, and H.B. Bei, Acta Mater., 120: 108 (2016). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.047
  25. N.L. Okamoto, K. Yuge, K. Tanaka, H. Inui, and E.P. George, AIP Advances, 6, No. 12: 125008 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4971371
  26. F. Moitzi, L. Romaner, A.V. Ruban, and O.E. Peil, Phys. Rev. Mater., 6: 103602 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.103602
  27. S.I. Rao, C. Woodward, B. Akdim, E. Antillon, T.A. Parthasarathy, and O.N. Senkov, Scripta Mater., 172: 135 (2019). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.07.025
  28. H.L. Zhang, D.D. Cai, X. Sun, H. Huang, S. Lu, Y.Z. Wang, Q.M. Hu, L. Vitos, and X.D. Ding, J. Mater. Sci. Technol., 121: 105 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.11.076
  29. R.L. Fleischer, Solid-Solution Hardening, The Strengthening of Metals (Eds. D. Peckner) (New York: Reinhold Publishing Corp.: 1964), p. 93.
  30. R.A. Labusch, Phys. Stat. Sol., 41: 659 (1970). https://doi.org/10.1002/pssb.19700410221
  31. H. Suzuki, Strength of Metals and Alloys (Eds. H. J. McQueen) (Toronto: Pergamon: 1986), p. 1727.
  32. I. Wesemann, A. Hoffmann, T. Mrotzek, and U. Martin, 17th Plansee Seminar, 1: 18/1 (2009).
  33. S. Takeuchi, Scripta Metallurgica, 2: 481 (1968). https://doi.org/10.1016/0036-9748(68)90177-4
  34. H. Hattendorf and A. R. Büchner, Zeitschrift für Metallkunde, 83: 690 (1992). https://doi.org/10.1515/ijmr-1992-830910
  35. S.A. Fіrstov and T.G. Rogul, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 1: 33 (2017) (in Russian). https://doi.org/10.15407/mfint.39.01.0033
  36. S. Patinet and L. Proville, Phys. Rev. B, 78: 104109:1 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.104109
  37. A. Seeger, Theorie der Kristallplastizität, IV, Verfestigung und Gleitmechanismus dichtest gepackter Metalle und Legierungen. Z. Naturforschg, 11a: 985 (1956).
  38. G. Saсhs and J. Weerts, Tensile Tests on Gold–Silver Crystals (Berlin–Dahlem: Communication from the Kaiser-Wilhelm-Institut für Metallforschung: 1930), p. 473.
  39. S.A. Firstov and T.G. Rogul, Dopov. Nac. Akad. Nauk Ukr., 8: 58 (2018) (in Russian). https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.08.058
  40. B. Chalmers, Physical Metallurgy (New York: Wiley: 1959), p. 468.
  41. I. Milne and R.E. Smallman, Trans. AIME, 242: 120 (1968).
  42. O.N. Carlson and A.L. Eustice, Vanadium–Chromium Alloy System (Iowa State University Ames Laboratory Technical Reports: 1959), p. 12. http://lib.dr.iastate.edu/ameslab_isreports/12
  43. L.A. Gypen and A. Deruyttere, J. Mater. Sci., 12, No. 5: 1028 (1977). https://doi.org/10.1007/BF00540988
  44. L.A. Gypen and A. Deruyttere, J. Mater. Sci., 12, No. 5: 1034 (1977). https://doi.org/10.1007/BF00540988
  45. O.N. Senkov, J.M. Scott, S.V. Senkova, D.B. Miracle, and C.F. Woodwart, Intermetallics, 509: 6043 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.02.171
  46. I. Toda-Caraballo, Scripta Mater., 127: 113 (2017). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.09.009
  47. C.R. LaRosa, M. Shiha, C. Varvenneb, and M. Ghazisaeidia, Materials Characterization, 151: 310 (2019). https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.02.034
  48. M. Walbrühl, D. Linder, J. Ågren, and A. Borgenstam, Mater. Sci. Eng. A, 700: 301 (2017). https://doi: 10.1016/j.mseaa.2017.06.001
  49. S.-P. Wanga and J. Xua, Intermetallics, 95: 59 (2018). https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.01.017
  50. C.-M. Lin, C.-C. Juan, C.-H. Chang, C.-W. Tsai, and J.-W. Yeh, J. Alloys Compd., 624: 100 (2015). https://doi.org/10.1016/S1003-6326(19)65054-5
  51. S.A. Firstov, T.G. Rogul’, N.A. Krapivka, S.S. Ponomarev, V.N. Tkach, V.V. Kovylyaev, V.F. Gorban’, and M.V. Karpets, Russ. Metallurgy (Metally), 4: 285 (2014). https://doi.org/10.1134/S0036029514040028
  52. S.A. Firstov, T.G. Rogul’, N.A. Krapivka, S.S. Ponomarev, V.V. Kovylyaev, N.I. Danilenko, N.D. Bega, V.I. Danilenko, and S.I. Chugunova, Powder Metall. Met. Ceram., 55: 225 (2016). https://doi.org/10.1007/s11106-016-9797-9
  53. L. Vegard, Zeitschrift für Physik, 5, Nr. 1: 17 (1921). doi:10.1007/BF01349680
  54. D. Tabor, The Hardness of Metals (Oxford, UK: Clarendon Press: 1951), p. 102.
  55. https://studme.org/1258042620681/statistika/srednee_kvadraticheskoe_otklonenie
  56. M.A. Baranov and V.M. Sherbakov, EFTZh (Ehlektronnyi Fiziko-Tekhnicheskii Zhurnal), 5: 1 (2010) (in Russian).
  57. A.A. Rusakov, Rentgenografiya Metallov [Röntgenography of Metals] (Moskva: Atomizdat: 1977), p. 480 (in Russian).
  58. J.D. Dunitz, V. Schomaker, and K.N. Trueblood, J. Phys. Chem., 92: 856 (1988). https://doi.org/10.1021/j100315a002
  59. W. Yeh, S.Y. Chang, Y.D. Hong, S.K. Chen, and S.J. Lin, Mater. Chem. Phys., 103: 41 (2007). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2007.01.003
  60. O.B. Perevalova, A.V. Panin, and E.O. Tyurin, Fazovyye Perekhody, Uporyadochennyye Sostoyaniya i Novyye Materialy, 1: 28 (2013) (in Russian).
  61. O.V. Sobol, V.F. Gorban, M.O. Krapivka, T.G. Rogul, and S.O. Firstov, Powder Metall. Met. Ceram., 59: 715 (2021). https://doi.org/10.1007/s11106-021-00206-4
  62. V.F. Gorban, M.I. Danylenko, M.A. Krapivka, and S.A. Firstov, Powder Metall. Met. Ceram., 58: 469 (2019). https://doi.org/10.1007/s11106-019-00097-6
  63. S.A. Firstov, T.G. Rogul’, and O.A. Shut, Powder Metall. Met. Ceram., 57: 161 (2018). https://doi.org/10.1007/s11106-018-9964-2
  64. V.I. Trefilov, Yu.V. Milman, and S.A. Firstov, Fizicheskie Osnovy Prochnosti Tugoplavkikh Metallov [Physical Fundamentals of Strength of Refractory Metals] (Kiev: Naukova Dumka: 1975), p. 315 (in Russian).
  65. Y.V. Mil’man and V.I. Trefilov, Powder Metal. Met. Ceram., 49: 374 (2010). https://doi.org/10.1007/s11106-010-9248-y
  66. A. Seeger, An International Conference ‘Dislocations and Mechanical Properties of Crystals’ (September 6–8, 1956, Lake Placid), p. 179.
  67. H. Conrad, Yielding and Flow of the B.C.C. Metals at Low Temperatures, (Aerospace Report No. TDR-169(3240-11)TN-5,7 March, 1963), p. 73.
  68. S.O. Fіrstov and T.G. Rogul, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 1: 127 (2022) (in Ukrainian). https://doi.org/10.15407/mfint.44.01.0127
  69. O. Boser, Metall. Trans., 3: 843 (1972). https://doi.org/10.1007/BF02647658
  70. T.E. Mitchell, Progr. Applied Materials Res., 6: 117 (1964).
  71. S.O. Firstov, T.G. Rogul, M.O. Krapivka, and S.I. Chugunova, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 2: 219 (2018) (in Russian). https://doi.org/10.15407/mfint.40.02.0219
  72. S.A. Firstov and G.F. Sarzhan, Ehlektronnaya Mikroskopiya i Prochnost’ Materialov: Sb. Nauchn. Trudov (Kiev: ІPM NAN Ukrainy: 2014), vol. 20, p. 71 (in Russian).
  73. Z. Guo, N. Saunders, J.P. Schillé, and A.P. Miodownik, MRS Int. Materials Research Conf. (June 20, 2008, Chongqing, China), р. 9.
  74. Z. Wu, H. Bei, G.M. Pharr, and E.P. George, Acta Mater., 81: 428 (2014). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.08.026
  75. J.R. Stephens and W. R. Witzke, Alloy Softening in Binary Iron Solid Solutions (Washington, D.C.: NASA Scientific and Technical Publication, Lewis Research Center: February, 1976).
  76. W.C. Leslie, Metall. Trans., 3: 5 (1972). https://doi.org/10.1007/BF02680580
  77. E. Pink and R.J. Arsenault, Prog. Mater. Sci., 24: 1 (1979). https://doi.org/10.1016/0079-6425(79)90003-3
  78. O.N. Senkov, G.B. Wilks, J.M. Scott, and D.B. Miracle, Intermetallics, 19, 5: 698 (2011). https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.01.004
  79. D. Zakarian, A. Khachatrian, and S. Firstov, Metal Powder Rep., 74, No. 4: 204 (2021). https://doi.org/10.1016/j.mprp.2018.12.079
  80. B.M. Drapkin, Metally, 3: 193 (1980) (in Russian).
  81. V.S. Zolotorevskiy, Mekhanicheskie Svoistva Metallov [Mechanical Properties of Metals] (Moskva: Metallurgiya: 1983) (in Russian).
  82. Yu.A. Bagarjackij, Ya.M. Golovchiner, and V. Il’na, Rentgenografiya v Fizicheskom Metallovedenii [Röntgenography in Physical Metallurgy] (Moskva: Metallurgiya: 1961) (in Russian).
  83. P. Lukac and Z. Trojanova, J. Mechanical Behavior of Materials, 4, No. 1: 71 (1992). https://doi.org/10.1515/JMBM.1992.4.1.71
  84. R. Carroll, C. Lee, C.-W. Tsai, J.-W. Yeh, J. Antonaglia, B.A.W. Brinkman, M. LeBlanc, X. Xie, S. Chen, P.K. Liaw, and K.A. Dahmen, Sci. Rep., 5: 16997 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16997
  85. B. Wang, X. Huang, A. Fu, Y. Liu, and B. Liu, Mater. Sci. Eng. A, 726: 37 (2018). https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.04.071
  86. I. Nikulin, R. Kaibyshev, and V. Skorobogatykh, J. Phys.: Conf. Ser., 240: 1 (2010). https://doi.org/10.1088/1742-6596/240/1/012071

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,