Microstructures and hardness of BCC phase iron-based high entropy alloy Fe-Mn-Cr-V-Al-C

BCC相を持つ鉄基高エントロピー合金Fe-Mn-Cr-V-Al-Cの微細構造と硬度

若井 栄一  ; 能登 裕之*; 柴山 環樹*; 古谷 一幸*; 安堂 正己*; 鎌田 貴晴*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

Wakai, Eiichi; Noto, Hiroyuki*; Shibayama, Tamaki*; Furuya, Kazuyuki*; Ando, Masami*; Kamada, Takaharu*; Ishida, Taku*; Makimura, Shunsuke*

大強度加速器標的や原子力の分野や航空機と自動車の磁気モーターの応用のために、CoおよびNi元素を含まないbcc結晶構造を持つ鉄基高エントロピー合金(HEA) Fe-20Mn-15Cr-10V-10Al-2.5C (at%)の微細構造、機械的特性及び照射硬化挙動を調べた。この合金は、1150Cで2時間焼ならしした後、水焼入れし、800Cで10分間加熱した後、再び水焼入れした。この合金はbcc相を持ち、粒界に沿って2-3mのバナジウム炭化物が配列していた。また、ビッカース硬度は520Hvで純タングステンよりも硬かいことが分かった。走査型透過電子顕微鏡による位相差コントラスト法により磁区構造を観察したところ、粒子内のミクロサイズの磁区と表面近傍にサブミクロサイズの磁区が形成されており、この磁気特性は魅力的であった。母相中には、ナノスケール(20nm)の元素分布が観察され、原子レベル領域での結晶格子の乱れの存在が見られた。この材料は、300Cおよび500Cで1dpaまで照射硬化が起こらず、非常に高い耐放射線性能が確認された。これは、照射によって引き起こされるナノスケールの濃度変化とHEA内の歪み緩和によるものであると推測された。これらの緒特性は、多分野の応用において非常に魅力的な特性である。

The microstructures and mechanical properties of bcc iron-based high entropy alloy (HEA) Fe-20Mn-15Cr-10V-10Al-2.5C (in at%) without Co and Ni elements have been investigated for applications in fields such as accelerator-target system, nuclear reactors and magnetic motors in aircraft and automobiles. This alloy was normalized at 1150C for 2 hr and then water quenched, and it was heated at 800C for 10 min and then water quenched. The alloy had a bcc-phase and vanadium carbides with 2-3 m arranging along grain boundaries, and the Vickers hardness was 520 Hv, harder than pure tungsten. Magnetic domain structure was observed in phase differential contrast method in scanning transmission electron microscope, and the micro-size magnetic domains in grain and sub micro size ones were formed near surface, and it is attractive to the magnetic motor field application. Element distribution in nano scale (20 nm) was observed in matrix, and the presence of crystal lattice disorder in the atomic level region was seen. Very high performance for radiation resistance was confirmed with no irradiation hardening at 300 and 500 C to 1 dpa. It can be speculated that this is due to irradiation-induced nanoscale concentration changes and strain relaxation in the HEA. These properties are very attractive in application of several fields.