高熵固溶体合金的相组成和力学性能研究

发布时间：2017-03-19 09:01

  本文关键词：高熵固溶体合金的相组成和力学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高熵合金是由多种合金主元(n≥5)以等摩尔或近等摩尔比混合而成,由于高熵效应,合金凝固后易于形成固溶体相而不是金属间化合物。本征上的特殊晶体结构使得合金的热力学稳定性高,在高温强度、耐腐蚀、耐磨性和抗氧化性等方面具有较大的发展潜力。所以固溶体相是高熵合金在室温下期望较高的微观结构。那么,关于高熵合金的相组成和力学性能是需要研究的主要问题,所以本文主要进行以下几个方面的研究：第一,根据合金主元的高温晶体结构以及固溶体结构相似原理,将主元元素分为BCC相形成元素和FCC相形成元素。基于热力学基本原理,固溶体形成过程是BCC相和FCC相的相稳定性的竞争过程,具有较低自由能的相易于形成并且更稳定。因此,提出了热力学参数刁为BCC(α)相的混合自由能与BCC和FCC(α+β)的双相混合自由能相的比值,即,η=△Gamix／△Ga+βmix。结果表明,当,η≤0.50时,合金易于形成FCC单相固溶体；当η≥0.64时,合金为BCC单相固溶体；当η介于两个临界值之间时,一般会形成BCC和FCC的双相固溶体。并且采用热力学参数77来判断合金的相稳定性适用于大部分高熵固溶体合金,对高熵合金的设计和力学性能的控制具有重要指导意义。第二,当合金中同时存在元素A1和Ni时,一般会形成B2结构,为了明确B2有序相的形成机理,采用元素Co替代Ni探究了B2结构的形成原因以及合金微观组织和性能的变化。结果表明,高熵合金NiCrFeCuAlx(x=0.5,1.0,1.5,2.0)和CoCrFeCuAlx (x=0.5,1.0,1.5,2.0)凝固后均形成由BCC相或/与FCC相组成的简单固溶体结构,BCC相位于枝干上,FCC相则分布在树枝晶间。随Al含量的增加,合金均由BCC和FCC的双相固溶体结构转变为BCC单相固溶体结构,这也说明A1为BCC相形成元素。值得说明的是,两种合金中均出现了B2超结构,主要是因为元素A1与Co之间的混合焓比较大与Al-Ni相近,在固溶体形成过程中形成了AlCo或AlNi超结构,形成了B2有序相和B1无序相构成的BCC相调幅结构,显著提高了合金的强度。第三,基于Cr-Ni二元相,以Cr为BCC相基元,Ni为FCC相基元,设计了Cr0.56Ni0.44型高熵固溶体合金CoCrFeNiAl0.86,并与CoCrFeNiAl合金进行对比研究。结果表明,合金CoCrFeNiAl0.86形成了由BCC相和FCC相组成的等轴晶固溶体结构。但是相成分的分布却不均匀,一些晶胞内为BCC相和FCC相的共晶组织,一些则为B2有序相和B1无序相构成的BCC相调幅结构。FCC相的存在以及微观结构的不均匀性使得合金的强度明显低于CoCrFeNiAl合金。然而,由于相成分分布比较均匀,具有BCC相的CoCrFeNiAl合金的塑性并没有出现明显的降低。
【关键词】：高熵合金 固溶体 自由能 共晶合金 超点阵结构
【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】：TG132.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 高熵合金的提出10
• 1.2 高熵合金的研究近况及发展10-14
• 1.3 高熵合金的特点14-19
• 1.3.1 高熵效应15-16
• 1.3.2 晶格畸变效应16-17
• 1.3.3 迟滞扩散效应17-18
• 1.3.4 “鸡尾酒”效应18-19
• 1.4 本文研究的主要内容19-21
• 1.4.1 高熵固溶体合金相组成判据的研究19-20
• 1.4.2 高熵合金NiCrFeCuAl_x和CoCrFeCuAl_x的研究20
• 1.4.3 高熵合金CoCrFeNiAl_(0.86)和CoCrFeNiAl的研究20-21
• 2 样品的制备和实验方法21-25
• 2.1 样品的制备方法21-22
• 2.2 实验样品22-23
• 2.3 实验分析方法23-25
• 2.3.1 XRD分析实验23
• 2.3.2 OM分析实验23-24
• 2.3.3 扫描电镜(SEM)分析实验24
• 2.3.4 透射电镜(TEM)分析实验24
• 2.3.5 力学性能分析实验24-25
• 3 高熵固溶体合金相组成判据的研究25-34
• 3.1 引言25
• 3.2 理论分析与讨论25-29
• 3.3 计算结果与讨论29-33
• 3.4 本章小结33-34
• 4 高熵合金NiCrFeCuAl_x微观结构和性能的研究34-48
• 4.1 XRD实验与分析34-37
• 4.2 合金的微观结构与分析37-43
• 4.2.1 金相(OM)实验与分析37-38
• 4.2.2 SEM实验与分析38-40
• 4.2.3 EDS实验与分析40-41
• 4.2.4 EPMA实验与分析41-42
• 4.2.5 EBSD实验与分析42-43
• 4.3 合金的力学性能分析43-46
• 4.3.1 显微硬度实验与分析43-45
• 4.3.2 压缩实验与分析45-46
• 4.4 合金的相稳定性分析46
• 4.5 本章小结46-48
• 5 高熵合金CoCrFeCuAl_x微观结构和性能的研究48-58
• 5.1 XRD实验与分析48-49
• 5.2 合金的微观结构与分析49-54
• 5.2.1 OM实验与分析49-50
• 5.2.2 SEM实验与分析50-51
• 5.2.3 EDS实验与分析51-52
• 5.2.4 EBSD实验与分析52-53
• 5.2.5 TEM实验与分析53-54
• 5.3 合金的力学性能分析54-56
• 5.3.1 显微硬度实验与分析54-55
• 5.3.2 压缩实验与分析55-56
• 5.4 合金的相稳定性分析56
• 5.5 本章小结56-58
• 6 高熵合金CoCrFeNiAl_(0.86)和CoCrFeNiAl微观结构和性能的研究58-67
• 6.1 合金设计的理论分析58-60
• 6.2 合金的微观结构与分析60-64
• 6.2.1 XRD实验与分析60-61
• 6.2.2 OM、SEM实验与分析61-63
• 6.2.3 TEM实验与分析63-64
• 6.3 合金的力学性能分析64-66
• 6.4 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

【共引文献】

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