Design and structural optimization of a high entropy alloy (HEA) of the CoCrFeMnNi family with high mechanical resistance.
Design et optimisation structurale d'un alliage à forte entropie (HEA) de la famille CoCrFeMnNi a haute résistance mécanique.
Résumé
High entropy alloys (HEAs) are a new class of materials obtained with a novel approach. They are made of at least 5 elements in similar proportions, which results in increased configurational entropy of the system and in some cases in higher stability of single solid solutions.In this work, a novel HEA based on equiatomic CoCrFeMnNi was optimized, characterized and patented. This alloy, referred to as A3S (austenitic super stainless steel), consists of 5 elements in non-equiatomic proportions (Co20Cr15Fe26Mn17Ni22). This composition was optimized with CALPHAD (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry) in Thermo-Calc software. The material possesses stable face-cubic centered solid solution structure and, unlike the equiatomic one, remains stable after annealing at 500oC up to 300 days. The facility of forming a nanostructure after hot forging is remarkable, and results in high resistance as well as ductility compared to stainless steels. These properties are improved at cryogenic temperatures where an additional mechanism of deformation by twinning is being activated. This compilation of properties is very promising for industry where new materials are required.A comparative study between the novel A3S and the equiatomic reference material has been conducted. First, the procedure of the alloy optimization by thermodynamic calculations has been presented. Then, microstructures and mechanical properties in different conditions (various annealing temperatures and times as well as types of deformation) have been examined. Finally, the last part reviews the mechanisms of recovery and recrystallization which differ significantly from classical materials.
Les alliages à haute entropie (high entropy alloys ou HEAs en anglais) sont une nouvelle classe de matériaux obtenus avec nouvelle approche originale. Ils sont constitués d'au moins 5 éléments dans des proportions similaires, ce qui entraîne une entropie accrue du mélange du système et donc une plus grande stabilité des solutions solides.Dans ce travail, un nouveau HEA basé sur CoCrFeMnNi a été optimisé, caractérisé et breveté. Cet alliage, appelé A3S, est constitué de 5 éléments en proportions non équiatomiques. Cette composition a été optimisée avec CALPHAD (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry) dans le logiciel Thermo-Calc. Le matériau possède une structure de solution solide cubique à face centrées et qui, contrairement à la structure équiatomique, reste stable après un recuit à 500°C jusqu'à 300 jours. La facilité de formation d'une nanostructure après forgeage à chaud est remarquable et résulte en une résistance élevée ainsi qu'une bonne ductilité. Ces propriétés sont améliorées aux températures cryogéniques où un mécanisme supplémentaire de déformation par le maclage est activé. Une étude comparative entre le nouvel A3S et le matériau de référence équiatomique a été réalisée. Tout d'abord, la procédure d'optimisation de l'alliage par des calculs thermodynamiques a été présentée. Ensuite, les microstructures et les propriétés mécaniques dans différentes conditions (différentes températures et durées de recuit ainsi que les types de déformation) ont été examinées. Enfin, la dernière partie passe en revue les mécanismes de restauration et de recristallisation qui diffèrent significativement des matériaux classiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)
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