Сибирские физики получили аномально высокий эффект памяти формы для нового сплава

Сотрудники Сибирского физико-технического института Томского государственного университета (СФТИ ТГУ) впервые достигли аномально большого эффекта памяти формы (ЭПФ) для высокоэнропийного сплава, содержащего хром, железо, марганец, кобальт, углерод и никель. Повысить циклическую стабильность ЭПФ удалось благодаря добавлению малых содержаний углерода. Способность материала «восстанавливать» свою форму после воздействия нагрузки и последующего нагрева востребована при создании эффективных и долговечных инженерных решений в авиастроении, медицине, робототехнике и других отраслях.
Высокоэнтропийные сплавы с памятью формы — это новый класс функциональных материалов, которые не имеют атомов основы и состоят из пяти или более химических элементов, находящихся в близких или почти близких атомных концентрациях.
Ученые СФТИ ТГУ исследовали крупные монокристаллы высокоэнтропийного сплава (FeMnCr)60Co35Ni4.8C0.2, которые были впервые получены в лаборатории физики высокопрочных кристаллов института по технологии, разработанной профессором ТГУ Юрием Чумляковым. Чтобы добиться больших значений эффекта памяти формы, авторы легировали сплав атомами углерода. Добавление углерода в концентрации 0,2 атомных процента позволило не только повысить циклическую стабильность ЭПФ, но и впервые получить аномально большой эффект памяти формы — 17 %. Этот результат близок к теоретическому максимуму 17,5 % для мартенситного превращения (фазового перехода от гранецентрированной кубической решетки к гексагональной плотноупакованной решетке при охлаждении\нагреве) в этом материале. Для сравнения, в монокристаллах сплава Fe-Mn-Si эффект памяти формы достигает максимум 9,3 %, а в высокоэнтропийных сплавах (FeMnCr)60Co35Ni5 без углерода — от 12 до 15,7 %.
«Легирование углеродом — это фундаментальный момент. Углерод повышает прочность сплава относительно сплавов без углерода, приводит к развитию мартенситного превращения под действием приложенной нагрузки без образования дефектов, а также повышает циклическую стабильность эффекта памяти формы как в повторяющихся циклах «нагрузка-разгрузка» при постоянной температуре, так и в цикле «охлаждение-нагрев» при постоянном напряжении, что важно для практического применения материалов», — объяснила один из авторов исследования, главный научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Ирина Киреева.
Характеристики материала позволяют добиться большого эффекта памяти формы, который требуется в различных приложениях: например, в актуаторах (приводах) приборов для перевода термической энергии в механическую работу в различных промышленных и высокотехнологичных отраслях. Однако, считают ученые, чтобы перейти к практическому приложению полученных результатов, необходимы дальнейшие исследования по созданию текстурированных поликристаллов с аномально большим эффектом памяти формы. Сейчас научная группа ведет поиск более доступных по стоимости химических составов и исследует сплавы системы Fe-Mn-Cr-Ni-Si, стремясь достичь ЭПФ 17,5 %.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России и РНФ.