Evoluzione microstrutturale e caratterizzazione meccanica di un WC

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9822 (2022) Citare questo articolo

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Le leghe ad alta entropia (HEA) sono una classe di materiali relativamente nuova che ha dimostrato il potenziale di esibire eccellenti combinazioni di proprietà meccaniche. Sono state esplorate varie modifiche microstrutturali per migliorare ulteriormente le loro proprietà meccaniche per l'uso in applicazioni strutturali impegnative. L'obiettivo principale del presente lavoro è uno studio sull'effetto dell'aggiunta di quantità variabili di materiale ceramico duro (WC) a una matrice HEA resistente (CoCrFeNi) mediante fusione ad arco in atmosfera di argon, compresi i cambiamenti microstrutturali e la valutazione delle aggiunte WC sulle proprietà meccaniche. L'analisi di diffrazione dei raggi X dei compositi HEA-WC ha mostrato la presenza sia di fasi FCC che di carburo. Le indagini al microscopio elettronico a scansione, inclusa la spettroscopia a dispersione di energia, rivelano che il cromo si diffonde dalla matrice e interagisce con il WC per formare una fase di carburo legato. È stato riscontrato che la quantità di carburo legato aumenta con l'aumentare della quantità di WC aggiunta alla matrice HEA. La caratterizzazione meccanica ha rivelato che la durezza e la resistenza allo snervamento dei compositi HEA-WC aumentano con l'aumentare della quantità di fase di carburo nella matrice. È stato riscontrato che la durezza del campione HEA-20wt.% WC era pari a 3,3 volte (593 HV) la durezza dell'HEA base (180 HV), mentre il carico di snervamento è aumentato da 278 MPa per l'HEA base a 1098 MPa per il composito CoCrFeNi-20% in peso WC. I compositi studiati hanno mostrato anche ottimi valori di duttilità (deformazione di ~ 50% per CoCrFeNi-10% in peso WC e deformazione di ~ 20% per CoCrFeNi-20% in peso WC). Si ritiene pertanto che i compositi a matrice ad alta entropia rinforzati con ceramica abbiano il potenziale per fornire eccezionali combinazioni di proprietà meccaniche per applicazioni strutturali impegnative.

Resistenza e tenacità sono le due proprietà chiave richieste nei materiali strutturali per resistere in sicurezza a carichi elevati. In molti materiali, tuttavia, gli aumenti di resistenza sono inevitabilmente accompagnati da qualche sacrificio di duttilità, con una corrispondente perdita di tenacità. È stato riportato, ad esempio, che l'affinamento della grana del metallo Ni a grana grossa su scala nanometrica porta ad un aumento della resistenza allo snervamento da appena 53 MPa a 1,3 GPa, ma al prezzo di una grave diminuzione della duttilità (a < 5%) 1. Sono stati fatti diversi tentativi per superare questo compromesso tra resistenza e duttilità. Alcuni approcci degni di nota che sono stati provati a questo riguardo includono lo sviluppo di nanostrutture eterogenee2 o microstrutture gerarchiche3,4, l'uso del rafforzamento delle nanoprecipitazioni5, dell'austempering6 e della sferoidizzazione7, nonché la progettazione di leghe per incoraggiare la plasticità indotta dalla trasformazione (TRIP)8 o il gemellaggio plasticità indotta (TWIP)9,10. Tuttavia, il compromesso resistenza-duttilità rimane una questione in sospeso e sembra sempre più che le proprietà meccaniche delle leghe convenzionali si stiano avvicinando ai limiti di capacità.

Le leghe ad alta entropia (HEA) formano una classe di materiali relativamente nuova basata sulla presenza simultanea di quattro o cinque o più elementi in quantità uguali11,12. Gli HEA sono caratterizzati dalla presenza di quattro effetti caratteristici, vale a dire entropia configurazionale, grave distorsione reticolare, diffusione lenta ed effetto cocktail11,13,14. Questi effetti sono considerati responsabili di migliori combinazioni di proprietà rispetto alle leghe convenzionali, tra cui eccezionale stabilità termica, resistenza alla corrosione e resistenza alla fatica, nonché allungamento superplastico e migliori proprietà meccaniche anche a temperature criogeniche12,15,16,17, 18,19,20,21,22,23,24,25,26. Gli HEA hanno anche dimostrato il potenziale di mostrare combinazioni migliorate di resistenza e duttilità. È possibile ottenere un'eccellente duttilità negli HEA fcc, anche se con resistenza limitata, mentre è stata segnalata un'elevata resistenza ma una duttilità limitata per gli HEA bcc. Sono stati quindi effettuati diversi tentativi per migliorare ulteriormente le combinazioni resistenza-duttilità negli HEA progettando HEA contenenti sia la fase in soluzione solida fcc che quella bcc, dove sono già stati raggiunti alcuni risultati promettenti27,28,29. È stato esplorato anche lo sviluppo di HEA rafforzati da soluzioni solide interstiziali. È stato riportato che l'aggiunta di atomi di azoto30, ossigeno31 e carbonio32,33 in una matrice HEA migliora la resistenza, ma a scapito di una duttilità limitata. Sono stati sviluppati anche HEA che utilizzano l'effetto TRIP alla ricerca di migliori combinazioni di proprietà meccaniche8,34,35. In alcuni casi è stato riportato che la trasformazione delle fasi metastabili sotto stress migliora la capacità di resistere alla frattura, tuttavia al momento solo pochi sistemi hanno dimostrato di mostrare buoni risultati a questo riguardo8,34. È stato anche dimostrato che lo sviluppo di uno strato sottile deformato e di un nucleo non deformato, collegati da una microstruttura gerarchica a gradiente36 in un HEA, migliora la duttilità, ma con solo un piccolo aumento corrispondente della resistenza. Inoltre, sono stati sviluppati anche HEA eutettici, costituiti da lamelle fini di fasi dure e morbide37,38, impiegando diverse strategie di progettazione delle leghe. L'uso di tali microstrutture eutettiche negli HEA ha mostrato risultati promettenti. La progettazione e il controllo delle microstrutture eutettiche negli HEA è, tuttavia, un compito estremamente difficile, a causa della presenza simultanea di più elementi.