ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 669
DOI: 10.18503/1995-2732-2026-24-2-138-145
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы). Разработка новых конструкционных материалов с оптимальным балансом прочности и пластичности является ключевой задачей современного материаловедения. Среднеэнтропийные сплавы системы Co-Cr-Ni представляют значительный интерес, однако их свойства могут быть повышены за счет микролегирования элементами, вызывающими значительные атомные искажения кристаллической решетки, такими как ниобий и марганец. Понимание влияния таких добавок на структуру и механическое поведение является актуальной научной задачей. Цель работы. Изучение возможностей управления механическими свойствами среднеэнтропийных сплавов системы Co-Cr-Ni путем контролируемого легирования малыми добавками ниобия и марганца (2–6 ат.%). Используемые методы. Четыре сплава системы Nb-Mn-Ni-Co-Cr были получены методом вакуумного литья с последующим переплавом для гомогенизации. Механические характеристики исследовались методами одноосного растяжения при комнатной температуре, микро- и наноиндентирования (согласно ISO 14577) для определения твердости и модуля упругости. Фрактографический анализ поверхностей излома проводился с использованием сканирующей электронной микроскопии. Новизна. Впервые систематически изучено влияние комбинированного легирования ниобием и марганцем на комплекс механических свойств среднеэнтропийных сплавов на основе Co-Cr-Ni. Установлены корреляции между элементным составом, твердостью, пределом прочности и характером разрушения. Результат. Установлено, что добавка ниобия приводит к твердорастворному упрочнению за счет атомных искажений решетки. Наибольшие значения микротвердости (140,7 HV), нанотвердости (2,29 ГПа) и модуля Юнга (156 ГПа) зафиксированы для состава Nb₂Mn₂Ni₃₆Co₄₀Cr₂₀. Максимальный предел прочности (641 МПа) при относительно низкой твердости продемонстрировал сплав Nb₂Mn₂Ni₃₀Co₄₀Cr₂₆, что указывает на достижение благоприятного сочетания прочности и пластичности. Фрактографический анализ подтвердил преимущественно вязкий характер разрушения. Практическая значимость. Полученные результаты демонстрируют, что контролируемое легирование ниобием и марганцем является эффективным инструментом для управления балансом прочность-пластичность в среднеэнтропийных сплавах, что открывает перспективы для создания новых конструкционных материалов с заданными эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова
Среднеэнтропийный сплав системы Co-Cr-Ni-Mn-Nb, микроструктура, нанотвердость, одноосное растяжение.
Для цитирования
Эволюция механических свойств среднеэнтропийных сплавов системы CoCrNbMnNi / Коновалов С.В., Дробышев В.К., Панченко И.А., Воробьёв С.В., Yu J. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2026. Т. 24. №2. С. 138-145. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2026-24-2-138-145
1. Yen, J., & Hsueh, C. (2025). Effects of Ti and Mo Additions on Microstructures and Mechanical Properties of CoCrNi Medium Entropy Alloys. Materials Science and Engineering: A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147943.
2. Chen, P., Chen, P., You, J., & Hsueh, C. (2025). Exploring effects of molybdenum and titanium contents on microstructure and mechanical properties of CoCrNi medium entropy alloy films. Surface and Coatings Technology. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131587.
3. Chang, W., & Hsueh, C. (2023). Strengthening of CoCrNi medium entropy alloy with Ti additions. Intermetallics. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2023.108072.
4. Lee, D., Agustianingrum, M., Park, N., & Tsuji, N. (2019). Synergistic effect by Al addition in improving mechanical performance of CoCrNi medium-entropy alloy. Journal of Alloys and Compounds. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.005.
5. Chang, R., Fang, W., Bai, X., Xia, C., Zhang, X., Yu, H., Liu, B., & Yin, F. (2019). Effects of tungsten additions on the microstructure and mechanical properties of CoCrNi medium entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.235.
6. Lin, Y., Lu, Y., & Hsueh, C. (2023). Strengthening of CoCrNi medium entropy alloy with gadolinium additions. Vacuum. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.111969.
7. Malladi, S., Riabov, D., Guo, S., & Nyborg, L. (2024). Additive Manufacturing of Interstitial Nitrogen‐Strengthened CoCrNi Medium Entropy Alloy. Advanced Engineering Materials, 26. https://doi.org/10.1002/adem.202401182.
8. Bi, X., Li, R., Yuan, Z., Cheng, J., Guan, D., & Zhang, P. (2024). Laser-directed energy deposition of a high performance additively manufactured (CoCrNi)94(TiAl)6 medium-entropy alloy with a novel core-shell structured strengthening phase. Additive Manufacturing. https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.103971.
9. Chung, S., Lee, T., Jeong, W., Kong, B., & Ryu, H. (2023). Additive Manufacturing of Oxide Dispersion-Strengthened CoCrNi Medium-Entropy Alloy by in situ Oxide Synthesis. Journal of Alloys and Compounds. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171340.
10. Lin, Y., & Hsueh, C. (2024). Mitigation of strength-ductility trade-off of CoCrNi medium entropy alloys with heterogenous structure by controlled Gd addition and annealing. Materials Science and Engineering: A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146630.
11. An, N., Sun, Y., Gao, L., Wu, Y., Xue, J., Li, Z., & Hui, X. (2022). Long-term structural stability and excellent mechanical properties of CoCrNi system medium entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165206.
12. Guo, L., Lu, Y., & Hsueh, C. (2023). Effects of Erbium Addition on Microstructure and Mechanical Properties of CoCrNi Medium Entropy Alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. https://doi.org/10.1007/s11665-023-08317-2.
13. Kvon, S., Issagulov, A., Kulikov, V., & Arinova, S. (2024). Niobium’s Effect on the Properties of a Quasi-High-Entropy Alloy of the CoCrFeMnNi System. Metals. https://doi.org/10.3390/met14050564.
14. Sunkari, U., Reddy, S., Athira, K., Chatterjee, S., & Bhattacharjee, P. (2020). Effect of niobium alloying on the microstructure, phase stability and mechanical properties of CoCrFeNi2.1Nbx high entropy alloys: Experimentation and thermodynamic modeling. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing, 793, 139897. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139897.
15. Konovalov S.V., Drobyshev V. K., Panchenko I.A., Li H. Structure and mechanical properties of high-entropy alloys of the CoCrZrMnNi system with different Zr and Mn contents produced by vacuum-induction melting // Frontier Materials & Technologies. 2025, vol. 1, pp. 21-34. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2025-1-71-2
16. Hua, D., Zhou, Q., Shi, Y., Li, S., Hua, K., Wang, H., Li, S., & Liu, W. (2023). Revealing the deformation mechanisms of <110> symmetric tilt grain boundaries in CoCrNi medium-entropy alloy. International Journal of Plasticity. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103832.
17. Wang, R., Hu, L., Geng, P., Zhang, W., & Du, C. (2025). Deformation and strengthening mechanism of non-equiatomic CoCrNi medium entropy alloys. Materials Science and Engineering: A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147864.
18. Panchenko I. A., Drobyshev V. K., Konovalov S., Bessonov D. A. Structural Change in Co–Cr–Fe–Mn–Ni Alloys upon Variation in Mn and Fe Concentrations // Technical Physics Letters. 2024. https://doi.org/10.1134/S1063785024700391
19. He, J., Wu, N., Wang, C., Wu, Z., Li, Y., & Luo, F. (2023). Multi-stage strain-hardening and nano-twinning strengthening Co40Cr22Ni15Fe14Mo4Si3Mn2 multi-principal element alloy. Journal of Materials Research and Technology. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.12.216.
20. Drobyshev V.K., Konovalov S.V., Panchenko I.A. Microstructural and fractographic analysis of non-equiatomic alloy of Co-Cr-Fe-Mn-Ni system // Non-Ferrous Metals. 2024, no. 2, pp. 63-68. https://doi.org/10.17580/nfm.2024.02.10