Учёные НИТУ МИСИС обнаружили «слабое звено» перспективных высокоэнтропийных сплавов

Российские материаловеды впервые провели прямое наблюдение процесса деформации высокоэнтропийного сплава CoCrCuFeNi с помощью просвечивающего электронного микроскопа. В режиме реального времени они зафиксировали зарождение и распространение трещин и определили самое уязвимое место в структуре материала — крупные включения меди. Это открытие объясняет, почему добавление пластичной меди на практике часто снижает пластичность и прочность сплава.

Высокоэнтропийные сплавы — новый класс материалов, состоящих минимум из пяти элементов в приблизительно равных концентрациях. Такое строение обеспечивает высокую прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость и радиационную устойчивость, что делает их перспективными для авиакосмической техники, атомной энергетики и микроэлектромеханических систем.

Сплав CoCrCuFeNi привлекал исследователей экономической доступностью и технологичностью, однако его реальные механические свойства оказались скромнее ожидаемых. Это долгие годы сдерживало применение сплава в ответственных изделиях. Чтобы разобраться в причинах, учёные НИТУ МИСИС совместно с коллегами из ИНМЭ РАН и Каталонского института нанонауки провели испытания микрообразцов внутри просвечивающего электронного микроскопа. Наблюдения показали: с самого начала деформации вся активность сосредоточена внутри медных зёрен, где возникают локализация напряжений и трещина. Исследование опубликовано в Journal of Materials Science (Q1).

Результаты объясняют, почему увеличение содержания меди ухудшает свойства сплава: чем больше крупных медных включений, тем выше риск разрушения. Это особенно критично для микро- и наноустройств, где даже одна уязвимая область может привести к отказу всей конструкции.

Чтобы подавить негативное влияние меди, можно снизить её концентрацию до предела растворимости либо использовать быстрый нагрев и охлаждение, искровое плазменное спекание или аддитивные технологии. Повышение содержания никеля также увеличивает растворимость меди и снижает риск опасных включений. Таким образом, работа даёт разработчикам готовые решения для улучшения свойств сплава.

Интересно, что те же медные включения могут быть полезны в других материалах: в композитах с алмазом они повышают вязкость разрушения, работая как демпфер. Исследование создаёт основу для разработки новых материалов с улучшенным сочетанием прочности и пластичности для алмазосодержащих композитов, защитных покрытий, энергетики и других высокотехнологичных отраслей.