大变形及热处理对FeMnCrCoNi高熵合金组织与性能的影响

发布时间：2020-03-23 09:56

【摘要】：高熵合金的出现打破了传统合金以某一种元素为绝对主元的设计理念,其采用多组元等原子比例的“鸡尾酒”式混合,该类合金表现出高强度、高硬度、高耐磨性等突出性能。这种崭新的合金引起了众多材料科研者的广泛关注,越来越多的高熵合金被开发研究。目前对于高熵合金的研究主要集中在微观组织、镀层以及力学性能等方面;关于高熵合金的拉伸性能与大变形强化的研究较少。主要是因为高熵合金的主元熔点较高、熔炼环境比较复杂等,使制备大块状试样变得较困难,从而不能深入研究合金的拉伸性能与加工性能。本文采用磁悬浮真空熔炼炉制备大尺寸的FeMnCrCoNi高熵合金。对合金进行大变形(锻造),并对锻造后的合金进行不同工艺的热处理,研究合金的锻造态与热处理态的显微组织和力学性能,得出主要结果如下:(1)铸态FeMnCrCoNi高熵合金的显微组织主要由树枝晶相和黑色斑点相组成,其中树枝晶相为均匀分布的富Fe、Mn、Cr、Co、Ni元素的FCC固溶体,黑色斑点相为富Cr、Mn的FCC固溶体。(2)室温和200 ℃锻造后,合金内部树枝晶破碎,晶粒得到细化,其中200℃锻后破碎效果更为明显,锻造后的树枝晶呈纤维状;两种锻造工艺均可以显著强化FeMnCrCoNi高熵合金,常温锻造、200 ℃锻造后显微硬度分别为313.6HV、358.1HV,较铸态分别提高了 97.6%、125.6%;抗拉强度分别为695.45MPa、830.84MPa,较铸态合金分别提高了 28.92%、54.02%,但其延伸率却大幅下滑,由47.24%分别降低至15.25%、5.38%;经20℃锻造后,合金出现了脆性断裂。(3)铸态、室温锻造、200 ℃锻造后合金的摩擦系数分别为0.797、0.413和0.473,磨损失重比分别为1、0.617和0.832。合金室温锻造的耐磨性优于200 ℃锻造、铸态耐磨性最差。(4)经1160 ℃锻造后,FeMnCrCoNi高熵合金的抗拉强度为772.28 MPa、硬度为278.78 HV,延伸率为22.06%;对高温锻造试样进行不同温度的退火热处理可诱发第二相的析出,其中700℃时析出相最多,其后逐渐减少;800 ℃退火后合金试样的综合性能最佳。(5)通过对加热温度、升温速率、保温时间以及冷却方式的改变,研究不同热处理工艺对高温锻造高熵合金组织与性能的影响;正交试验结果表明:对合金硬度较有利的热处理工艺为:加热温度750℃、升温速率5℃/min、保温时间2h、随炉冷却;对拉伸性能较有利的热处理工艺为:加热温度800℃、升温速率5℃/min、保温时间4h、空冷。
【图文】：

示意图,固溶体,晶格,晶体结构

逦大变形及热处理对ＦｅＭｎＣｒＣｏＮｉ高熵合金组织与性能的影响逡逑现出强度高、硬度高的优异性能。逡逑图１－２是晶体结构（ＢＣＣ）的晶格畸变示意图，（ａ）图是单一邋Ｃｒ元素的晶逡逑体结构，其晶格齐整、有序、规则，（ｂ）图为溶质原子Ｖ通过置换占据了溶剂逡逑原子Ｑ？的晶格结点，造成了晶格一定程度的扭曲，（ｃ）图为多种原子半径不同逡逑的元素形成的固溶体，造成了严重的晶格畸变若高熵合金中主元间的原子尺逡逑寸差别过大，合金中会有非晶相的形成，这是由于晶格畸变程度达到峰值后，晶逡逑格发生坍塌导致的结果。合金中非晶相的生成，对合金的物理、化学、力学、电逡逑学等方面的性能有显著的影响。逡逑（ａ，邋（Ｅ＞逦Ｃｅ）逡逑ｆ逦—ｆ逦＾邋ｗ逡逑？［丨？…＃逡逑（Ｊｒ》逦０＾）逡逑图１－２邋ＢＣＣ晶体结构的示意图逡逑（ａ）完美的晶格（图为Ｃｒ）；邋（ｂ）Ｃｒ－Ｖ固溶体；（ｃ）ＡｌＦｅＣｒＣｏＮｉＴｉ固溶体逡逑Ｆｉｇｉｉｒｅ邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＢＣＣ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑（ａ）邋Ｐｅｒｆｅｃｔ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋（ｐｉｃｔｕｒｅｄ邋Ｃｒ）；邋（ｂ）邋Ｃｒ－Ｖ邋ｓｏｌｉｄ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ；邋（ｃ）邋ＡｌＦｅＣｒＣｏＮｉＴｉ邋ｓｏｌｉｄ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑３．动力学上的迟滞扩散效应逡逑物质的宏观流动反映在微观上就是大量原子的迁移，这些原子的迁移过程就逡逑是扩散。合金的相变过程是通过不同组元间的协同扩散来完成的

铸态,合金,晶格畸变,抗压强度

选用原子尺寸差异较大的元素配制高熵合金，造成更严重的晶格畸变，阻碍逡逑位错的运动，同时阻碍原子间的协同扩散，使合金很难形成第二相，得到具有高逡逑强度和高硬度的固溶体。图１－４为铸态ＣｕｘＡｌＣｏＦｅＣｒＮｍ0．５邋（ｘ邋＝邋０，０．２５和０．５）逡逑高熵合金的应力应变曲线，主元Ｔｉ的原子半径较大，合金晶格畸变程度很大，逡逑表现出极高的抗压强度和压缩应变，当ｘ＝０时，抗压强度更是超过了邋３０００ＭＰａ，逡逑压缩应变达到２３％，综合力学性能很好。逡逑３５００．逦逡逑ＴＡＣＯ逡逑３０００邋？逦一一一邋一邋一逡逑（０邋２５００邋－逦ＴＡＣｑ＾逡逑ＣＬ逦＇ＴＡＣＯ邋５逡逑Ｗ邋２０００邋－邋／逦〔邋ｆ逡逑￡邋／邋／逡逑ｔｏ邋１５００邋－邋ｌ逡逑Ｓ邋；逡逑＾邋１０００邋－／逡逑５００邋ｉ逡逑／邋／邋／逡逑°０逦５逦１０逦１５逦２０逦２５逡逑Ｔｒｕｅ邋ｓｔｒａｉｎ／％逡逑图１－４铸态ＣｕｘＡｌＣｏＦｅＣｒＮｉＴｉ0．５邋（ｘ邋＝邋０，０．２５和０．５）系高熵合金的应力－应变曲线［１４］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋ａｓ－ｃａｓｔ邋ＣｕｘＡｌＣｏＦｅＣｒＮｉＴｉ０．５邋（ｘ邋＝邋０，邋０．２５邋ａｎｄ邋０．５）邋ｈｉｇｈ逡逑ｅｎｔｒｏｐｙ邋ａｌｌｏｙｓ邋［ｌ４］逡逑高熵合金的单相固溶体结构，能产生强烈的固溶强化效果，，高温时体系紊乱，逡逑使合金具有一定的高温强度，表现出很好的热稳定性。表ｉ－ｉ为部分高熵合金铸逡逑态与退火态的硬度比较
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139;TG156

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