Effect of grain size on the mechanical behaviour of CoCrNi medium entropy alloy

CoCrNi has been found to be one of the most promising material among high/medium entropy alloys with GPa strength and elongation at failure above 70%, especially at cryogenic temperatures. These properties make the CoCrNi alloy very attractive from cryogenic industrial applications. However, the microstructure of the CoCrNi alloy has yet not been optimized, and the mechanical properties for enhancing the functional behaviour can still be improved. In this study, the effects of thermo-mechanical treatments on the microstructure and on the tensile and crack propagation properties were investigated. A refinement of the microstructure was achieved by cold rolling and subsequent annealing leading to an increase of hardness values from less than 200 HV to more than 450 HV. Tensile tests show the great potentiality of this material since yielding stress of 700 MPa have been obtained and approximately 75% of elongation at break. Through fatigue crack-growth tests, performed with 𝑅 = 0,01, there was found ∆𝐾𝑡ℎ ≈ 7 MPa√𝑚 with a slope of the curve of 9,2 for the cast and homogenized sample, while ∆𝐾𝑡ℎ above 8 MPa√𝑚, and a slope less than 4, for the other samples with the finer microstructures. This thesis demonstrates the large potential of the CoCrNi alloy for a wide range of applications.

CoCrNi è uno dei materiali più promettenti tra le leghe ad alta/media entropia, con una resistenza fino al GPa e allungamento a rottura superiore al 70%, soprattutto a temperature criogeniche. Ciò rende la lega CoCrNi molto interessante dal punto di vista ingegneristico a basse temperature. Tuttavia, la microstruttura della lega CoCrNi non è ancora stata ottimizzata, quindi le proprietà meccaniche possono ancora essere migliorate per esaltare le proprietà funzionali di questo materiale. In questo lavoro di tesi sono stati approfonditi gli effetti dei trattamenti termo-meccanici sulla microstruttura e sulla durezza. Sono state ottenute diverse microstrutture grazie ai passaggi di laminazione a freddo seguiti da ricottura, ottenendo un aumento della durezza da meno di 200 HV a poco più di 450 HV. I test di trazione hanno messo in luce le enormi potenzialità di questo materiale, dato che è stato ottenuto uno sforzo di snervamento pari a 700 MPa e un allungamento a rottura di circa 75%. Tramite i test di propagazione della cricca a fatica, è stato trovato ∆𝐾𝑡ℎ ≈ 7 MPa√𝑚 con una pendenza della curva pari a 9,2 per il provino sottoposto solamente a un trattamento di omogeneizzazione dopo essere stato colato, mentre per quanto riguarda i provini con struttura più fine sono stati trovati ∆𝐾𝑡ℎ superiore a 8 MPa√𝑚 e una pendenza inferiore a 4. Questo lavoro di tesi dimostra quanto sia grande il potenziale della lega CoCrNi per un’ampia gamma di applicazioni.