Напівемпірична кінетична модель фазової селекції у швидкозагартованих багатокомпонентних концентрованих сплавах
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.10.813Ключові слова:
багатокомпонентнi концентрованi сплави, високоентропiйнi сплави, швидке твердiння, критична швидкiсть охолодження, фазова селекцiя, в’язкiсть розплаву, здатнiсть до аморфiзацiї, кiнетична модельАнотація
Сформульовано напівемпіричну кінетичну модель фазової селекції в багатокомпонентних концентрованих сплавах за умов швидкого твердіння. Запропонований підхід ґрунтується на критичній швидкості охолодження, необхідній для пригнічення конкуруючих шляхів кристалізації, і поєднує топологічно залежне ранжування шляхів кристалізації, що ведуть до утворення ОЦК-, ГЦК- та ГЩУ-подібних структур (типів кристалічної ґратки), із поправкою на здатність до аморфізації. Модель включає топологічно залежну поправку до ефективної в'язкості розплаву та неперервний коригувальний множник здатності до аморфізації, що враховує ентальпію змішування, надлишкову ентропію й атомно-розмірну невідповідність. Порівняння з експериментальними та розрахунковими даними показує, що запропонований кінетичний критерій фазової селекції не лише визначає випадки, коли кінетично переважний тип ґратки відрізняється від прогнозованого за критерієм концентрації валентних електронів, а й успішно описує кінетичне пригнічення фазового розшарування та виявляє конкурентну багатофазну кристалізацію. Модель також дає змогу розрізняти сплави з високою та низькою здатністю до аморфізації. Запропонована модель дає змогу оцінювати кінетичну конкуренцію між шляхами кристалізації та визначати ймовірний кінетично домінуючий шлях у швидкозагартованих багатокомпонентних сплавах.
Посилання
1. J.-W. Yeh, S.-K. Chen, S.-J. Lin, J.-Y. Gan, T.-S. Chin, T.-T. Shun, C.-H. Tsau, S.-Y. Chang. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes. Adv. Eng. Mater. 6, 299 (2004).
https://doi.org/10.1002/adem.200300567
2. B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A 375-377, 213 (2004).
https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257
3. K. Biswas, N.P. Gurao, T. Maiti, R.S. Mishra. High Entropy Materials: Processing, Properties, and Applications (Springer Nature Singapore, 2022) [ISBN: 978-981-19-3919-8].
https://doi.org/10.1007/978-981-19-3919-8
4. H. Xiang, F.-Z. Dai, Y. Zhou. High-Entropy Materials: From Basics to Applications (Wiley-VCH, 2023) [ISBN: 978-3-527-35035-3].
5. Functional High Entropy Alloys and Compounds. Edited by Y. Zhang, Y. Yao, H. Liu (Wiley-VCH, 2025) [ISBN: 978-3-527-35437-5].
6. D.B. Miracle, O.N. Senkov. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Mater. 122, 448 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081
7. W. Zhijun, S. Guo, C.T. Liu. Phase selection in high-entropy alloys: from nonequilibrium to equilibrium. JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society 66, 1966 (2014).
https://doi.org/10.1007/s11837-014-0953-8
8. J. Kitagawa, H. Ueta, Y. Watanabe, T. Seki, Y. Mizuguchi, T. Nishizaki. Superconducting properties of eutectic high-entropy alloy superconductor NbScTiZr. Mater. Today Commun. 40, 109690 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109690
9. Yu.M. Koval, V.S. Filatova, V.V. Odnosum, O.A. Shcheretskyi, G.S. Firstov. Elasticity at martensitic inelastic behaviour for industrial NiTi, CuAlMn and novel high-entropy TiZrHfCoNiCu shape-memory alloys. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 47, 1281 (2025).
10. M. Nahavandian, E. Aydogan, J. Byggmästar, M.A. Tunes, O. El-Atwani, E. Martinez. Design kinetic parameters for improved resilience of materials under irradiation. Mater. Des. 257, 114419 (2025).
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114419
11. L. Zhang, L. Banko, W. Schuhmann, A. Ludwig, M. Stricker. Composition-property extrapolation for compositionally complex solid solutions based on word embeddings. Digit. Discovery 4, 1578 (2025).
https://doi.org/10.1039/D5DD00169B
12. O.I. Kushnerov, S.I. Ryabtsev, P.O. Galagan, V.F. Bashev. Experimental validation of semi-empirical parameters for phase prediction in rapid-quenched and as-cast high-entropy alloys. J. Phys. Electron. 33, 22 (2025).
https://doi.org/10.15421/332503
13. O.I. Kushnerov, V.F. Bashev. Structure and physical properties of cast and splat-quenched CoCr0.8Cu0.64FeNi high entropy alloy. East Eur. J. Phys. 3, 43 (2021).
https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-3-06
14. O.I. Kushnerov, S.I. Ryabtsev, V.F. Bashev. Metastable states and physical properties of Co-Cr-Fe-Mn-Ni high-entropy alloy thin films. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 750, 135 (2023).
https://doi.org/10.1080/15421406.2022.2073043
15. V.A. Dekhtyarenko, V.K. Nosenko, V.V. Kyrylchuk, A.V. Nosenko, O.M. Semyrga, I.K. Yevlash, V.I. Bondarchuk. Amorphous alloys as a promising class of functional materials. Pt. 1: Manufacturing methods, structure, physical and mechanical properties. Prog. Phys. Met. 26, 598 (2025).
https://doi.org/10.15407/ufm.26.03.598
16. V. Girzhon, V. Yemelianchenko, O. Smolyakov. High entropy coating from AlCoCrCuFeNi alloy, obtained by laser alloying. Acta Metall. Slovaca 29, 44 (2023).
https://doi.org/10.36547/ams.29.1.1710
17. V.V. Girzhon, V.V. Yemelianchenko. Obtaining high-entropy alloys by the laser alloying method: experimental results and theoretical calculations. Prog. Phys. Met. 26, 727 (2025).
https://doi.org/10.15407/ufm.26.04.727
18. X. Yang, Y. Zhang. Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multi-component alloys. Mater. Chem. Phys. 132, 233 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2011.11.021
19. A. Takeuchi, A. Inoue. Quantitative evaluation of critical cooling rate for metallic glasses. Mater. Sci. Eng. A 304-306, 446 (2001).
https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01446-5
20. A. Takeuchi, A. Inoue. Classification of bulk metallic glasses by atomic size difference, heat of mixing and period of constituent elements and its application to characterization of the main alloying element. Mater. Trans. 46, 2817 (2005).
https://doi.org/10.2320/matertrans.46.2817
21. D.R. Uhlmann. A kinetic treatment of glass formation. J. Non-Cryst. Solids 7, 337 (1972).
https://doi.org/10.1016/0022-3093(72)90269-4
22. H.A. Davies, J. Aucote, and J.B. Hull. The kinetics of formation and stabilities of metallic glasses. Scr. Metall. 8, 1179 (1974).
https://doi.org/10.1016/0036-9748(74)90492-X
23. G. Shao, P. Tsakiropoulos. Prediction of phase selection in rapid solidification using time dependent nucleation theory. Acta Metall. Mater. 42, 2937 (1994).
https://doi.org/10.1016/0956-7151(94)90391-3
24. V.V. Girzhon, V.V. Yemelianchenko, O.V. Smolyakov, A.S. Razzokov. Analysis of structure formation processes features in high-entropy alloys of Al-Co-Cr-Fe-Ni system during laser alloying. Results Mater. 15, 100311 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.rinma.2022.100311
25. C. Chattopadhyay, A. Prasad, B.S. Murty. Phase prediction in high entropy alloys - a kinetic approach. Acta Mater. 153, 214 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.002
26. M. Dufanets, V. Sklyarchuk, Yu. Plevachuk. Structure-sensitive properties of Cu-based binary subsystems of high-entropy Bi-Cu-Ga-Sn-Pb alloy. Ukr. J. Phys. 65, 1089 (2020).
https://doi.org/10.15407/ujpe65.12.1089
27. I. Budai, M.Z. Benkő, G. Kaptay. Comparison of different theoretical models to experimental data on viscosity of binary liquid alloys. Mater. Sci. Forum 537-538, 489 (2007).
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.537-538.489
28. Smithells Metals Reference Book. 8th ed. Edited by W.F. Gale, T.C. Totemeier (Butterworth-Heinemann, 2004) [ISBN: 978-0-7506-7509-3].
29. L. Battezzati, A.L. Greer. The viscosity of liquid metals and alloys. Acta Metall. 37, 1791 (1989).
https://doi.org/10.1016/0001-6160(89)90064-3
30. Y. Zhang, Y.J. Zhou, J.P. Lin, G.L. Chen, P.K. Liaw. Solid-solution phase formation rules for multi-component alloys. Adv. Eng. Mater. 10, 534 (2008).
https://doi.org/10.1002/adem.200700240
31. G.A. Mansoori, N.F. Carnahan, K.E. Starling, T.W. Leland. Equilibrium thermodynamic properties of the mixture of hard spheres. J. Chem. Phys. 54, 1523 (1971).
https://doi.org/10.1063/1.1675048
32. O.I. Kushnerov, V.F. Bashev, S.I. Ryabtsev. Deposition and growth of the AlCoCuFeNi high-entropy alloy thin film: Molecular dynamics simulation. Springer Proc. Phys. 263, 419 (2021).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-74741-1_28
33. O.I. Kushnerov, S.I. Ryabtsev, V.F. Bashev. Molecular dynamic simulation of multicomponent CoCrFeNiMn high-entropy alloy thin film deposition. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 769, 762 (2025).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
