بررسي و مشخصه‌يابي اثر اضافه شدن عناصر آلياژي Si و Ge بر آلياژ آنتروپي‌بالا بر پايه FeCrMnNiCo

آلياژهاي آنتروپي بالا دسته نسبتاً جديدي از فلزات هستند كه برخلاف ساير سيستم‌هاي آلياژي متداول و مرسوم، پايه فلزي مشخصي نداشته و تمام عناصر آلياژي با كسر مولي يكسان يا تقريباً برابر به يكديگر اضافه مي‌شوند. يكي از مهمترين آلياژهاي طراحي شده و توسعه يافته در اين زمينه FeCrMnNiCo است. هدف از پژوهش حاضر بررسي تاثيرات اضافه كردن عناصر شبه فلزي سيليسيوم و ژرمانيوم به آلياژ آنتروپي بالاي غيراستوكيومتري FeCrMnNiCo مي‌باشد. در اين راستا عنصر كبالت با سيليسيوم و ژرمانيوم به مقادير 3، 6 و 9 درصد اتمي جايگزين شده و آلياژهاي طراحي شده با تركيب كلي Fe28Cr18Mn18Ni18Co18-xMx (M= Ge o‎r Si و x=3 o‎r 6 o‎r 9) انتخاب شدند. براي ساخت نمونه‌هاي آلياژي از ذوب كردن عناصر خالص درون يك كوره ذوب قوسي تحت اتمسفر محافظ (كه براي اجراي پژوهش حاضر طراحي و ساخته شد) استفاده گرديد. هر نمونه حداقل پنج بار ذوب مجدد شد تا از يكنواختي تركيب شيميايي آن اطمينان حاصل شود. بررسي‌هاي متالورژيكي شامل بررسي ساختار ماكروسكوپي نمونه‌ها، متالوگرافي با ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي و بررسي تركيب شيميايي فازهاي مختلف به كمك EDS، آزمون XRD و بررسي خواص مكانيكي شامل سختي سنجي، آزمون كشش و شكست نگاري بر روي نمونه‌هاي آلياژها انجام گرفت. شبيه‌سازي به كمك نرم افزار Thermo-Calc، بررسي رفتار حرارتي به كمك آناليز حرارتي و بررسي خواص مغناطيسي از جمله‌ي بررسي‌هاي تكميلي انجام شده بر روي آلياژها بودند. بررسي‌هاي ريزساختاري نشان داد هر دو عنصر سيليسيوم و ژرمانيوم در مقادير بالا (نه درصد) در حين انجماد تمايل به جدايش داشته‌اند. به نظر مي‌رسد هر دو دسته آلياژي تكفاز FCC بوده و تنها نمونه حاوي نه درصد سيليسيوم حاوي تركيبات بين فلزي باشد. همچنين به طور كلي هر دو عنصر باعث افزايش استحكام و سختي و كاهش انعطاف‌پذيري مي‌شوند. سيليسيوم بر افزايش سختي (224 HV30)، استحكام تسليم (284 MPa) و مدول يانگ (187.8 GPa) تاثير بيشتري داشته و در مقابل ژرمانيوم انعطاف‌پذيري آلياژ پايه را كمتر كاهش داده است. بررسي‌ها نشان داد جايگزيني كبالت با دو عنصر سيليسيوم و ژرمانيوم به مقدار نه درصد اتمي باعث كاهش چشمگير انعطاف‌پذيري خواهد شد (به ترتييب 5/1 و 19 درصد). آناليز حرارتي (DSC) نمونه‌هاي آلياژي نشانگر هيچگونه واكنش يا استحاله فازي نيست. همچنين ظرفيت حرارتي نمونه‌ها به كمك نمودارهاي آناليز حرارتي و نيز اطلاعات حاصل از شبيه‌سازي با نرم افزار محاسبه گرديد. در مطالعه خواص مغناطيسي آلياژها، تاثير ژرمانيوم بر خواص مغناطيسي بيشتر از تاثير سيليسيوم بر آلياژ پايه بود. هرچند به طور كلي مي‌توان تمام آلياژهاي اين پژوهش را پارامغناطيس دانست. در مجموع به نظر مي‌رسد بهبود خواص مختلف آلياژ پايه در اثر اضافه كردن ژرمانيوم بهتر از نمونه‌هاي حاوي سيليسيوم باشد.

High-entropy alloys (HEAs) are a relatively new catego‎ry of metals that, unlike conventional alloy systems, do not have a defined base metal; instead, all alloying elements are added in equal o‎r nearly equal molar fractions. One of the most significant designed an‎d developed alloys in this field is FeCrMnNiCo. The aim of the present study is to investigate the effects of adding metalloid elements Si an‎d Ge to the non-stoichiometric high-entropy alloy FeCrMnNiCo. In this regard, cobalt was partially replaced by silicon an‎d germanium at atomic percentages of 3%, 6%, an‎d 9%, an‎d the designed alloys with the general composition Fe28Cr18Mn18Ni18Co18-xMx (M = Ge o‎r Si an‎d x = 3, 6, o‎r 9) were selec‎ted. To fabricate the alloy samples, pure elements were melted in an arc melting furnace under a protective atmosphere (designed an‎d constructed specifically fo‎r this research). Each sample was remelted at least five times to ensure chemical homogeneity. Metallurgical investigations included macroscopic examination of the samples, metallography using optical microscopy an‎d scanning electron microscopy (SEM), an‎d chemical composition analysis of different phases using Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) tests an‎d mechanical property eva‎luations, including hardness testing, tensile testing, an‎d fractography, were also conducted on the alloy samples. Additional analyses comprised thermodynamic simulations using Thermo-Calc software, thermal behavio‎r studies via thermal analysis, an‎d magnetic property assessments. Microstructural studies showed that both silicon an‎d germanium, at high concentrations (nine percent), tended to separate during solidification. It appears that both alloy groups are single-phase FCC, an‎d only the sample containing nine percent silicon contains intermetallic compounds. Also, both elements generally increase strength an‎d hardness an‎d reduce ductility. Silicon had a greater effect on increasing hardness (224 HV30), yield strength (284 MPa), an‎d Youngʹs modulus (187.8 GPa), while germanium reduced the ductility of the base alloy less. The investigations showed that replacing cobalt with silicon an‎d germanium at nine atomic percent will significantly reduce ductility (by 1.5 an‎d 19 percent, respectively). Thermal analysis (DSC) of the alloy samples showed no reaction o‎r phase transfo‎rmation. The heat capacity of the samples was also determined using thermal analysis diagrams an‎d simulation. In the study of the magnetic properties of alloys, the effect of germanium on the magnetic properties was greater than the effect of silicon on the base alloy. However, in general, all the alloys in this research can be considered paramagnetic. Overall, it appears that improving the various properties of the base alloy due to the addition of germanium is better than the samples containing silicon.

مسعود پنجه پور , محمود مرآتيان اصفهاني

شهرام رايگان , فتح اله كريم زاده , عباس بهرامي