基于短程序团簇模型的Al-Ni-Co-Fe-Cr多主元固溶体合金成分设计及其力学性能

发布时间：2017-10-16 05:18

  本文关键词：基于短程序团簇模型的Al-Ni-Co-Fe-Cr多主元固溶体合金成分设计及其力学性能

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【摘要】：多主元固溶体合金,也称高熵合金,是以多个元素(通常五元及以上)同为主元素的一类新型合金,由于组成元素为等摩尔或近等摩尔比例添加,使得合金的热力学混合熵远高于传统合金,从而易于形成具有简单结构的固溶体相。为区别于传统固溶体合金,将这类多个元素共同为基的合金统称为多主元固溶体。这类合金具有特殊的性能,如高的强度和硬度、高温结构稳定性、以及优异的耐磨、耐蚀和抗氧化性能等,有望发展成为适于极端环境中的新型高性能工程用合金材料,是目前研究的热点。尽管等摩尔成分设计是获取多主元固溶体的最简单方法,但并非必要条件。研究表明,其结构稳定性和性能主要取决于元素间化学近程相互作用,但相关研究受到了短程序结构模型缺失的制约,从而影响成分和性能优化。近年来,我们发展出适于描述固溶体短程序结构的“团簇加连接原子”模型,揭示出优质固溶体合金具有稳定的局域结构单元,即特定的第一近邻团簇和次近邻连接原子。从而给出团簇成分式,为[团簇](连接原子)x,其中x为连接原子的个数；在体心立方BCC结构中,最近邻团簇为配位数CN14的多面体。因此,本工作以Al-Ni-Co-Fe-Cr五主元合金为研究对象,根据“团簇加连接原子”结构模型进行成分设计。为研究Al含量变化对合金结构的影响,设计成分式Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x((系列R1),并确定基础团簇成分式[Al-(Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]Al1;在此基础上改变过渡金属元素N、Co、Fe和Cr的比例,得到[Al-(Ni1/(1+x+y+z)Cox/(1+x+y+z)Fey/(1+x+y+z)Crz/(1+x+y+z))14]Al1(：系列R2)和[Al-(Nix/(1+x)Co1/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1(系列R3)合金,并对其进行系列微观组织结构和力学性能测试,以期获得到高性能多主元合金,并探索团簇结构模型在多主元固溶体合金中的适用性。在高纯氩气的保护下,采用电弧熔炼和铜模吸铸快冷技术制备Φ6mm合金样品,采用X射线衍射、光学显微观察、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子探针等手段鉴别合金微观结构和组织形貌,利用维氏硬度仪、MTS万能试验机测试合金的力学性能。主要结论如下：(1)对系列R1合金Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x研究结果表明,吸铸态系列合金的结构随Al含量x增加发生变化：Al含量x≤1.5时,合金表现为单一面心立方FCC结构,当x≥2.5,合金表现为BCC结构,当1.5x2.5,合金为(FCC+BCC)双相结构。其中,团簇成分式合金[Al-(Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4)14]Al1 (Al12.5Ni21.875Co21.875Fe21.875Cr21.875 at.%)位于FCC固溶体形成的上限处,其组织主体表现为FCC的树枝晶,晶间区域为少量BCC相。表明选取团簇成分式[Al-M14]Al1(M=Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4)作为基础团簇式是合理的：(2)在系列R2合金[Al-M14]Al1(M=Ni,Co,Fe,Cr)中,改变过渡金属元素M的之间的比例,系列合金的结构也会发生改变,即随合金价电子浓度VEC增加,合金逐渐从(BCC/B2)→(BCC+FCC)双相→单一FCC固溶体转变。力学性能结果表明BCC/B2结构的[Al-(Ni1/5Co1/5Fe1/5Cr2/5)14]Al1 (Al12.5Nil7.5Co17.5Fe17.5Cr35 at.%)合金具有最高的维氏硬度和压缩屈服强度,分别为HV=626, σy=1791MPa; FCC合金[Al-(Ni4Co4Fe3Cr3)]Al1 (Al12.5Ni25Co25Fe18.75Cr18.75 at.%)表现出良好的拉伸塑性,抗拉强度σb=774MPa,断裂伸长率δ=35.6%。(3)在系列R3[Al-(Nix/(1+x)Co1/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1中,固定Ni+Co=8和Fe+Cr=6不变,但改变Ni/Co和Fe/Cr含量,以研究系列合金结构与性能的变化。研究表明,相比于系列R1和R2,在VEC相近条件下,该系列合金表现出更高的压缩屈服强度,表明过渡金属元素Ni、co、Fe和Cr对多主元合金的结构和性能作用不完全相同,应将其分开考虑。(4)根据系列Rl Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x、 R2 [Al-(Ni1/(1+x+y+z)Cox/(1+x+y+z)Fey/(1+x+y+z)Crz/(1+x+y+z))14]Al1和R3 [Al-(Nix/(1+x)Col/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1,可以看出,多主元固溶体合金的结构稳定性取决于合金价电子浓度VEC,其性能亦随结构变化而发生变化。当VEC≤7.61时,合金表现为FCC结构,屈服强度范围约为318MPa-520MPa;当7.46VEC7.61,合金为(BCC+FCC)双相结构,合金强度提高,屈服强度介于607MPa-1100MPa;当VEC≤7.46时,合金结构为BCC/B2,具有更高的强度,屈服强度约1340MPa-1791MPa。
【关键词】：多主元固溶体合金 团簇结构模型 成分设计 价电子浓度 力学性能
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 引言10-11
• 1 综述11-26
• 1.1 多主元固溶体合金的背景及概念11-12
• 1.2 多主元合金的特殊效应12-16
• 1.2.1 高熵效应12-13
• 1.2.2 严重的晶格畸变效应13-14
• 1.2.3 迟缓扩散效应14-15
• 1.2.4 鸡尾酒效应15-16
• 1.3 多主元合金的微结构16-20
• 1.4 多主元合金的性能20-24
• 1.5 多主元合金中元素的作用24
• 1.6 价电子浓度对多主元合金结构的影响24-25
• 1.7 多主元合金的发展和应用前景25-26
• 2 基于团簇结构模型的合金设计方法26-33
• 2.1 基于团族结构模型的合金设计方法26-29
• 2.2 Al-Ni-Co-Fe-Cr五主元固溶体合金的团簇模型与成分设计29-33
• 3 实验方法33-36
• 3.1 合金制备33-34
• 3.2 分析方法34-36
• 3.2.1 X射线衍射分析34
• 3.2.2 光学显微组织分析34
• 3.2.3 扫描电子显微分析34
• 3.2.4 透射电子显微分析34-35
• 3.2.5 力学性能测试35
• 3.2.6 EPMA电子探针分析35-36
• 4 Al_x[Ni_(1/4)Co_(1/4)Fe_(1/4)Cr_(1/4)]_(16-x)系列合金(R1)成分设计与性能研究36-44
• 4.1 本章小结42-44
• 5 [Al-(Ni_xCo_yFe_aCr_b)_(14)]Al_1非等摩尔比合金成分设计与性能研究44-69
• 5.1 [Al-(Ni_(1/(1+xy+z))Co_(x/(1+x+y+z))Fe_(y/(1+x+y+z))Cr_(z/(1+x+y+z)))_(14)]Al_1系列合金(R2)成分设计和性能研究44-56
• 5.2 [Al-(Ni_(x/(1+x))Co_(1/(1+x))_8(Fe_(y/(1+y))Cr_(1/1+y))_6]Al_1系列合金(R3)成分设计和性能研究56-61
• 5.3 价电子浓度VEC对系列合金结构和性能的影响61-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

【参考文献】

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1 ;Effect of Co element on microstructure and mechanical properties of FeCo_x NiCuAl alloys[J];Acta Metallurgica Sinica(English Letters);2012年02期

，

本文编号：1040829