Получение высокоэнтропийного сплава CoCrFeNiTi методом порошковой металлургии

ВВЕДЕНИЕ 12
1 ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 14
1.1 Определение и развитие энтропии 14
1.2 Высокоэнтропийные сплавы и их классификация 16
1.3 Четыре основных эффекта высокоэнтропийных сплавов 18
1.3.1 Высокоэнтропийный эффект 19
1.3.2 Эффект медленной диффузии 20
1.3.3 Эффект сильного искажения кристаллической решетки 21
1.3.4 Эффект «коктейля» 22
1.4 Свойства высокоэнтропийных сплавов 24
1.5 Приготовление высокоэнтропийных сплавов 27
1.5.1 Проектирование и выбор состава высокоэнтропийных сплавов 27
1.5.2 Методы приготовления высокоэнтропийных сплавов 28
1.6 Влияние легирующих элементов на механические свойства энтропийных сплавов 33
1.7 Влияние элементов на высокоэнтропийные сплавы на основе CoCrFeNi 36
1.8 Перспективы и применение высокоэнтропийных сплавов 38
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
2.1 Материалы исследования 41
2.2 Методы исследования 42
2.2.1 Измерение насыпной плотности и текучести порошка 43
2.2.2 Смешивание порошков 45
2.2.3 Прессование и спекание образцов 47
2.2.4 Металлографический анализ сплавов 49
2.2.5 Измерение микротвердости 49
3 ИССЛЕДОВАНИЕ СПЛАВОВ С ВЫСОКОЙ ЭНТРОПИЕЙ CoCrFeNiTi, CoFeNiTi И CoCrFeNi 52
3.1 Анализ насыпной плотности и текучести порошков 52
3.2 Расчет относительной плотности образцов 55
3.3 Исследование структуры сплавов 58
3.4 Анализ микротвердости сплавов 61
4ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 68
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 68
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 68
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений 70
4.1.3 SWOT-анализ 71
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 76
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 76
4.2.2 Разработка графика проведения научного исследования 78
4.2.3 Бюджет научно-технического исследования 81
4.3 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 87
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 94
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 95
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые нормы трудового законодательства 95
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны исследователя 96
5.2 Производственная безопасность 97
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 98
5.3 Экологическая безопасность 102
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 109
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 110
Приложение А 118

Весь текст будет доступен после покупки

В настоящее время, с развитием технологий в области авиации, космоса, электроники, связи и других отраслей, таких как машиностроение, химическое производство, энергетика, требования к характеристикам материалов становятся все более высокими, и новые стандарты постоянно предлагаются. Когда развитие традиционных одиночных материалов приближается к пределу и не может удовлетворить растущие потребности в новых технологиях в различных отраслях, развитие новых материалов становится особенно важным [1]. В истории развития материалов такие методы, как химическое замещение, комбинированный подбор, инженерия интерфейса, инженерия напряжений, наноассемблирование и высокопроизводительные вычисления, играют важную роль в получении новых материалов.
От первобытного до индустриального общества прогресс человечества тесно связан с использованием инструментов. Характеристики материалов могут быть улучшены путем смешивания различных компонентов. Продукты после смешивания могут иметь средние характеристики различных компонентов, но иногда они могут быть улучшены или обладать совершенно новыми характеристиками.

Весь текст будет доступен после покупки

1 ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1.1 Определение и развитие энтропии

В середине XVIII века Рудольф Клаузиус, выдающийся немецкий физик, представил миру концепцию энтропии, которая стала фундаментальным понятием в термодинамике. Энтропия стала ключом для объяснения того, как энергия распределяется в пространстве. Принцип прост: чем более равномерно распределена энергия, тем выше уровень энтропии.
В статистической физике энтропия тесно связана с количеством микроскопических состояний системы. Можно представить систему, состоящую из огромного количества частиц, как множество различных вариантов распределения их положения и движения. Высокая энтропия соответствует большому количеству возможных микроскопических состояний, что, в свою очередь, означает больший беспорядок или дезорганизацию в системе.
Энтропия также является мерой неопределенности системы. Ее свойства, такие как аддитивность, симметрия и неотрицательность, делают ее важным инструментом для анализа. Когда система находится в состоянии полной упорядоченности, ее энтропия достигает минимума, а при полной дезорганизации – максимума. Это позволяет использовать энтропию для оценки степени беспорядка в системе [3].
На протяжении более ста лет концепция энтропии находит своё применение в естественных, технических и социальных науках. Её универсальность и глубина понимания делают её незаменимым инструментом для анализа и прогнозирования различных явлений в природе, обществе и, конечно, материаловедении [4].
В термодинамике энтропия измеряет степень хаоса или беспорядка в системе. Простыми словами, чем больше беспорядка в системе, тем выше ее энтропия. Согласно статистической термодинамике, энтропия S связана с числом возможных микроскопических состояний W системы через уравнение S=klnW, где k – постоянная Больцмана. Это уравнение подчеркивает важность понимания возможных конфигураций, которые могут принять частицы в системе для определения ее энтропии.
Для систем сплавов свободная энергия Гиббса смешения может быть выражена уравнением (1):
Gсмеш = Hсмеш – TSсмеш, (1)
где Gсмеш, Hсмеш, Sсмеш – свободная энергия Гиббса смешения, энтальпия смешения и энтропия смешения соответственно, T – абсолютная температура. Видно, что уменьшение энтальпии смешения или увеличение энтропии смешения может уменьшить свободную энергию Гиббса и сделать систему сплава более стабильной. Рассмотрим различные составляющие энтропии смешения. Идеальная энтропия смешения относится к энтропии в условиях полного хаоса, когда все атомы металла равномерно и случайным образом распределены в сплаве. Однако в реальности также учитываются факторы, такие как сегрегация элементов, образование интерметаллических соединений и влияние вибраций, магнетизма и электронов на энтропию смешения. Эти дополнительные факторы, которые выходят за рамки идеального случая, составляют суперэнтропию или избыточную энтропию, как показано в формуле (2):
Sсмеш = Sсмеш (идеальная) + Sсмеш (избыточная). (2)
Конфигурационная энтропия, часть идеальной смешанной энтропии, может быть описана с использованием формулы (3) [5]:
Sсмеш (идеальная) = – R ?Ci lnC, (3)
где Ci – количество вещества i-го компонента, а R – газовая постоянная. В этот момент:
Sсмеш (идеальная) = – R lnN. (4)
Видно, что чем больше число элементарных видов (N), тем больше энтропия смешения, что подтверждает, что разнообразие способствует хаосу.
С точки зрения значений энтропии, можно выделить три категории: высокую, среднюю и низкую энтропию. Высокая энтропия соответствует ситуациям, когда значение энтропии смешения значительно превышает определенный порог, то есть Sсмеш ? 1,61R (N ? 5). Средняя энтропия находится в промежутке между высокой и низкой, то есть 0,69R ? Sсмеш ? 1,61 R (N = 3, 4), а низкая энтропия характеризуется значением энтропии смешения ниже определенного уровня, то есть Sсмеш ? 0,69R (N ? 2).

Весь текст будет доступен после покупки

1. Gu J F, Zou J, Zhang F, et al. Research progress of high-entropy ceramic materials. Chinese Materials Progress. J. 2019 [9]. P. 855–865, 886.
2. Jiangsu Province Ceramics Research Institute. The new favorite of ceramics: high-entropy ceramics. DZ?. – 03.07.2020.
3. Zhang J L, Ren J. Insufficiency and correction of entropy and entropy weight calculation formula in entropy theory. Statistics and Information Forum. J. 2011 [1]. P. 3–5.
4. Hou H P. Research on the Theory and Application of Entropy Decision-Making for Strategic Mergers and Acquisitions of Chinese Enterprises. Beijing: Intellectual Property Press. M. 2007. P. 42–43.
5. Miracle D B, Senkov O N. Ada material Senkov. Mechanical behavior of high-entropy alloys, J. 2017 [122]. P. 448–511.
6. Yeh J W, Chen S, Lin S. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes. J. Advanced Engineering Materials. 2004 [6]. P. 299–303.
7. Cantor B, Chang I T H, Knight P. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. J. Materials Science and Engineering A. 2004 [375]. P. 213–218.
8. Hsu Y J, Chiang W C, Wu J K. Corrosion behavior of FeCoNiCrCux high-entropy alloys in 3.5% sodium chloride solution. J. Materials Chemistry and Physics. 2005 [92] (1). P. 112–117.
9. Liu Y, Chen M, Li Y X, et al. The microstructure and mechanical properties of AlxCoCrCuFeNi multi-component high entropy alloys. J. Rare Metal Materials and Engineering. 2009 [38] (9). P. 1602–1607.
10. Senkov O N, Wilks G B, Scott J M, et al. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. J. Intermetallics. 2011 [19] (5). P. 698–706.

Весь текст будет доступен после покупки