Evolution microstructurale et caractérisation mécanique d'un WC

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9822 (2022) Citer cet article

1924 Accès

10 citations

5 Altmétrique

Détails des métriques

Les alliages à haute entropie (HEA) constituent une classe de matériaux relativement nouvelle qui a montré son potentiel pour présenter d'excellentes combinaisons de propriétés mécaniques. Diverses modifications microstructurales ont été explorées pour améliorer davantage leurs propriétés mécaniques afin de les utiliser dans des applications structurelles exigeantes. L'objectif principal du présent travail est une étude de l'effet de l'ajout de quantités variables de matériau céramique dur (WC) à une matrice HEA résistante (CoCrFeNi) par fusion à l'arc sous atmosphère d'argon, y compris les changements microstructuraux, et l'évaluation des ajouts de WC. sur les propriétés mécaniques. L'analyse par diffraction des rayons X des composites HEA-WC a montré la présence de phases fcc et carbure. Les analyses au microscope électronique à balayage, y compris la spectroscopie à dispersion d'énergie, révèlent que le chrome diffuse à partir de la matrice et interagit avec le WC pour former une phase de carbure allié. Il a été constaté que la quantité de carbure allié augmente avec la quantité croissante de WC ajouté à la matrice HEA. La caractérisation mécanique a révélé que la dureté et la limite d'élasticité des composites HEA-WC augmentent avec la quantité croissante de phase carbure dans la matrice. La dureté de l'échantillon HEA-20wt.% WC s'est avérée aussi élevée que 3,3 fois (593 HV) la dureté de la base HEA (180 HV), tandis que la limite d'élasticité a augmenté de 278 MPa pour la base HEA à 1098 MPa pour le composite CoCrFeNi-20 % en poids WC. Les composites étudiés ont également montré d'excellentes valeurs de ductilité (~ 50 % de déformation pour CoCrFeNi-10 % en poids WC et ~ 20 % de déformation pour CoCrFeNi-20 % en poids WC). On pense donc que les composites à matrice à haute entropie renforcées de céramique ont le potentiel de fournir des combinaisons exceptionnelles de propriétés mécaniques pour des applications structurelles exigeantes.

La résistance et la ténacité sont les deux propriétés clés requises dans les matériaux de structure pour supporter en toute sécurité des charges élevées. Cependant, dans de nombreux matériaux, l'augmentation de la résistance s'accompagne inévitablement d'un certain sacrifice de ductilité, avec une perte correspondante de ténacité. Il a été rapporté, par exemple, que le raffinement des grains de Ni métallique à gros grains à l'échelle nanométrique entraîne une augmentation de la limite d'élasticité de seulement 53 MPa à 1,3 GPa, mais au prix d'une forte diminution de la ductilité (à < 5 %). 1. Un certain nombre de tentatives différentes ont été faites pour surmonter ce compromis résistance-ductilité. Certaines approches notables qui ont été essayées à cet égard incluent le développement de nanostructures hétérogènes2 ou de microstructures hiérarchiques3,4, l'utilisation du renforcement par nanoprécipitation5, de la trempe6 et de la sphéroïdisation7, ainsi que la conception d'alliages pour encourager soit la plasticité induite par transformation (TRIP)8, soit le jumelage. plasticité induite (TWIP)9,10. Néanmoins, le compromis résistance-ductilité reste une question en suspens et il semble de plus en plus que les propriétés mécaniques des alliages conventionnels approchent de leurs limites de capacité.

Les alliages à haute entropie (HEA) forment une classe de matériaux relativement nouvelle basée sur la présence simultanée de quatre ou cinq éléments ou plus en quantités égales11,12. Les HEA se caractérisent par la présence de quatre effets caractéristiques, à savoir l'entropie configurationnelle, une distorsion sévère du réseau, une diffusion lente et l'effet cocktail . Ces effets sont considérés comme responsables de meilleures combinaisons de propriétés par rapport aux alliages conventionnels, notamment une stabilité thermique, une résistance à la corrosion et une résistance à la fatigue exceptionnelles, ainsi qu'un allongement superplastique et de meilleures propriétés mécaniques même à des températures cryogéniques12,15,16,17, 18,19,20,21,22,23,24,25,26. Les HEA ont également montré leur potentiel à présenter des combinaisons améliorées de résistance et de ductilité. Une excellente ductilité peut être obtenue dans les HEA fcc, bien qu'avec une résistance limitée, alors qu'une résistance élevée mais une ductilité limitée a été rapportée pour les HEA bcc. Différentes tentatives ont donc été menées pour améliorer davantage les combinaisons résistance-ductilité dans les HEA en concevant des HEA contenant les phases de solution solide fcc et bcc, où des résultats prometteurs ont déjà été obtenus27,28,29. Le développement de HEA renforcés par des solutions solides interstitielles a également été exploré. Il a été rapporté que l’ajout d’atomes d’azote30, d’oxygène31 et de carbone32,33 dans une matrice HEA améliore la résistance, mais au détriment d’une ductilité limitée. Des HEA utilisant l'effet TRIP ont également été développés dans le but de rechercher de meilleures combinaisons de propriétés mécaniques8,34,35. Il a été rapporté dans certains cas que la transformation des phases métastables sous contrainte améliore la capacité à résister à la rupture, mais à l'heure actuelle, seuls quelques systèmes ont montré de bons résultats à cet égard8,34. Il a également été démontré que le développement d'une fine couche déformée et d'un noyau non déformé, reliés par une microstructure hiérarchique à gradient dans un HEA, améliorait la ductilité, mais avec seulement une légère augmentation correspondante de la résistance. De plus, des HEA eutectiques, constitués de fines lamelles de phases dures et molles, ont également été développés en employant différentes stratégies de conception d'alliages. L’utilisation de telles microstructures eutectiques dans les HEA a donné des résultats prometteurs. La conception et le contrôle des microstructures eutectiques dans les HEA sont cependant une tâche extrêmement difficile, en raison de la présence simultanée de plusieurs éléments.