31320

بررسي رفتار دما بالاي آلياژهاي آنتروپي متوسط پايه آهن FeMnCoCrNi تحت فشار داغ

دكترا

مهندسي مواد

1396

1403/06/19

دكتر حميدرضا جعفريان

Dr. Nokeun Park

مهندسي مواد و متالورژي

آلياژهاي آنتروپي متوسط بر خلاف آلياژ هاي آنتروپي بالا به دليل كمتر بودن ميزان آنتروپي (R 61/1- 69/0) و ناپايداري بيشتر در فاز زمينه، به صورت چند فازي بوده و يا به راحتي مي توانند به چند فاز تبديل شوند كه اين ويژگي امكان ايجاد خواص مكانيكي بهتر و پايداري بالاتر را فراهم مي كند. عدم محدوديت تكفاز بودن (مانند آلياژهاي آنتروپي بالا) سبب مي شود تا در اين دسته از آلياژ ها، تركيب مناسبي از استحكام مكانيكي و شكل پذيري براي كاربرد هاي مهندسي فراهم شده و فرآيند توليد آنها راحت تر و كم هزينه تر شود. در كنار تمام اين مزيت ها پايداري فازي بهتر در شرايط دما بالا و يا خورندگي بالا سبب شده تا مشكلات ناشي از جدايش فازي يا عنصري در اين دسته از آلياژ ها بر خلاف آلياژ هاي آنتروپي بالا بسيار كمتر شود. در اين مطالعه، آلياژهاي آنتروپي متوسط پايه آهنFe50-(CoCrMnNi)50 (تك فاز) وFe50Mn30Co10Cr10 (چند فازي) تحت آزمايش فشار داغ در نرخ كرنش هاي مختلف و دامنه دمايي بين ℃ 850-650 قرار گرفتند. تحليل دقيقي از نمودار تنش-كرنش و تكامل ريزساختار در اين دو آلياژ صورت گرفت و رفتار تغيير شكل داغ، فرايند هاي ترميمي ديناميكي، معادلات اساسي و مكانيسم هاي تغيير شكل در حين فرايند تغيير شكل دماي بالاي اين آلياژها تعيين شد. هر دو آلياژ، تحت فشار داغ دچار تبلور مجدد ديناميكي غير پيوسته به دليل ساختار گردنبندي مانند در مرزدانه ها شده اند. تغيير شكل اوليه در آلياژ تكفازFe50-(CoCrMnNi)50 منجر به لغزش، درهم‌تنيدگي، افزايش چگالي نابجايي و مهاجرت مرزدانه ها بوده است كه رفتار مشابهي با تبلور مجدد در آلياژهاي متداول مي باشد. با افزايش كرنش، مكانيزم تغيير شكل در آلياژFe50-(CoCrMnNi)50 به لغزش مرزدانه اي (به جاي تبلور مجدد ثانويه) در مقادير پايين پارامتر زنر تغيير مي كند كه به دليل ناپايداري فاز زمينه بوده است. انرژي فعال سازي تغيير شكل داغ براي آلياژ آنتروپي متوسطFe50-(CoCrMnNi)50 نسبتاً پايين (KJ/mol 61/215 = Q) محاسبه شده كه نشان دهنده تاثيرگذاري آهن بر رفتار تغيير شكل و تحرك نابجايي ها و مرز دانه ها بوده است. همچنين نقشه هاي بهينه تغير شكل بر اساس دما و نرخ كرنش مقدار محدوده ايده آل را بازه دمايي ℃ 800-750 و نرخ كرنش s-1 (0037/0 تا 0014/0) نشان مي دهد. در آلياژ آنتروپي متوسط چند فازيFe50Mn30Co10Cr10 ، پديده گردنبندي شدن با تاخير نسبت به رفتار مشابه با آلياژهاي متدوال در تغيير شكل دما بالا مشاهده شد كه به نظر مي رسد گردنبندي شدن با مكانيسم هاي رقيب مانند استحاله تشكيل مارتنزيت HCP و استحاله بازگشتي FCC→HCP رقابت مي كند. در اين آلياژ، تغيير شكل تحت تاثير استحاله مارتنزيتي القا شده با كرنش، تشكيل دو قلويي و لغزش مي باشد. نقشه هاي بهينه تغير شكل بر اساس دما و نرخ كرنش مقدار محدوده ايده آل را براي تغيير شكل آلياژ Fe50Mn30Co10Cr10 در محدوده دماي ℃ 710-750 و نرخ كرنش s-1 0035/0 – 0025/0 نشان مي دهند. . انرژي فعال سازي تغيير شكل داغ براي اين آلياژ آنتروپي متوسط پايه آهن خيلي كم (KJ/mol 89/129 Q=) محاسبه شده است كه نشان دهنده تاثيرگذاري مكانيزم هاي برشي در فرآيند تغيير شكل است. نكته قابل توجه آنكه علي رغم عدم انطباق كامل با رفتار عمومي تغيير شكل دما بالا، پارامترهاي زنر-هولومون توسعه يافته، مطابقت خوبي با نتايج تجربي براي هر دو آلياژ دارد.

1403/07/24

Investigation on High Temperature Properties of Fe-based Medium Entropy Alloys FeMnCoCrNi Under Hot Compression

9/9/2025 12:00:00 AM

Medium-entropy alloys (MEAs), unlike high-entropy alloys (HEAs), are typically multiphase due to their lower entropy values (0.69–1.61 R) and greater instability in the matrix phase. This characteristic allows MEAs to easily transform into multiple phases, potentially enhancing mechanical properties and achieving higher stability. The lack of a requirement to maintain a single-phase structure (as in HEAs) enables these alloys to combine suitable mechanical strength and ductility, making them advantageous for engineering applications and easier and more cost-effective to produce. Additionally, the improved phase stability under high-temperature or corrosive conditions significantly reduces issues related to phase or elemental segregation in MEAs compared to HEAs. In this research, the iron-based medium-entropy alloys Fe50-(CoCrMnNi)50 (single-phase) and Fe50Mn30Co10Cr10 (multiphase) were subjected to hot compression tests at various strain rates and temperatures ranging from 650°C to 850°C. A detailed analysis of the stress-strain curves and microstructural evolution in these two alloys was conducted to determine the hot deformation behavior, dynamic restoration processes, constitutive equations, and deformation mechanisms during high-temperature deformation. Both alloys exhibited discontinuous dynamic recrystallization under hot compression, characterized by necklace structures at grain boundaries. The initial deformation in the single-phase alloy Fe50-(CoCrMnNi)50 resulted in slip, dislocation entanglment, dislocation density increase, and grain boundary migration, showing a behavior similar to recrystallization in conventional alloys. As strain increased, the deformation mechanism in the Fe50-(CoCrMnNi)50 alloy transitioned to grain boundary sliding (instead of secondary recrystallization) at lower Zener-Hollomon parameter values due to matrix phase instability. The activation energy for hot deformation of the medium-entropy alloy Fe50-(CoCrMnNi)50 was calculated to be high (Q = 215.61 kJ/mol), indicating the influence of iron on deformation behavior and the immobility of dislocations and grain boundaries. Moreover, optimal deformation maps based on temperature and strain rate suggest the ideal range is between 750°C and 800°C and a strain rate of 0.0014–0.0037 s⁻¹. In the multiphase medium-entropy alloy Fe50Mn30Co10Cr10, necking onset was delayed compared to conventional alloys under high-temperature deformation, suggesting competition between necking and mechanisms like the formation of HCP martensite and FCC→HCP reverse transformation. In this alloy, deformation is influenced by strain-induced martensitic transformation, twinning, and slip. Optimal deformation maps for the Fe50Mn30Co10Cr10 alloy based on temperature and strain rate suggest the ideal range is 710–750°C and a strain rate of 0.0025–0.0035 s⁻¹. The activation energy for hot deformation of this iron-based medium-entropy alloy was calculated to be very low (Q = 129.89 kJ/mol), indicating the influence of shear mechanisms on the deformation process. Notably, despite not fully conforming to the general behavior of high-temperature deformation, the developed Zener-Hollomon parameters show good agreement with experimental results for both alloys.

آلياژ هاي آنتروپي متوسط , آلياژهاي پايه آهن , تغيير شكل داغ , تبلور مجدد ديناميكي , تكامل ريزساختار

Medium Entropy Alloys , Fe-based Alloys , Hot Compression , Dynamic Recrystallization , Microstructure Evolution

Mostafa Hedayati-Marzbali

Dr. HamidReza Jafarian