Сотрудники Сибирского физико-технического института Томского государственного университета 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 углерода малой концентрации. 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. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Letters (Q2).

Высокоэнтропийные сплавы с памятью формы — это новый класс функциональных материалов, который не имеет атомов основы и состоит из пяти или более химических элементов, находящихся в близких или почти близких атомных концентрациях. 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.

Ученые СФТИ ТГУ исследовали крупные монокристаллы высокоэнтропийных сплавов (FeMnCr)₆₀Co₃₅Ni_4.8C_0.2, которые были впервые получены в лаборатории физики высокопрочных кристаллов института. Технология получения монокристаллов разработана заведующим лабораторией, профессором ТГУ Юрием Чумляковым. Размер кристаллов (25-30 мм в диаметре и 60-70 мм в длину) позволяет исследовать эффект памяти формы в материале вдоль различных направлений при растяжении.

Чтобы добиться больших значений эффекта памяти формы, ученые СФТИ 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 достигал максимум 9,3%, а в высокоэнтропийных сплавах (FeMnCr)₆₀Co₃₅Ni₅ без углерода — от 12 до 15,7%.

— Легирование углеродом — это фундаментальный момент, — отмечает главный научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Ирина Киреева. — 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.

Главный научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Ирина Киреева

Изучая реакцию нового материала на механические и температурные воздействия, ученые СФТИ ТГУ выявили, что при напряжении выше 150 мегапаскалей возникает конкуренция между пластической деформацией и мартенситным превращением, что ограничивает максимальный эффект памяти формы до 13,8%. Это понимание важно для разработки поликристаллических сплавов с улучшенными функциональными свойствами для применения в различных средах.

— Чтобы использовать наши достижения в практическом приложении, необходимы дальнейшие исследования по созданию текстурированных поликристаллов с аномально большим эффектом памяти формы, — говорит Ирина Киреева. — Сейчас наша группа ведет поиск и исследование более доступных по стоимости химических составов и исследует сплавы системы Fe-Mn-Cr-Ni-Si, стремясь достичь ЭПФ 17,5% за счет добавления атомов углерода. Эта работа выполняется при поддержке гранта Российского научного фонда.

Ирина Васильевна отметила, что результаты исследований лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ лягут в основу кандидатских диссертаций молодых ученых лаборатории, младших научных сотрудников Анастасии Сараевой и Анны Федоровой.

Добавим, что исследование эффекта памяти формы в новых высокоэнтропийных сплавах (FeMnCr)₆₀Co₃₅Ni_4.8C_0.2 поддержано также Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSWM-2024-0007).