铁锰铬多主元合金中复杂相变及其对力学性能影响研究

发布时间：2020-10-23 14:38

　　 多主元高熵合金具有良好的耐高温和抗辐照性能,在核能领域具有潜在的应用价值。为满足聚变堆等先进核能系统对材料低活化的服役需求,材料设计时需考虑替换或去除高熵合金中常用的Nb、Mo、Ni、Co等易活化元素。然而由于元素原子半径和电负性差异,元素替换以后由于部分元素间混合焓作用,合金很难保证仍是良好的单相固溶体结构。若仅是去除合金中的易活化元素,由于合金构型熵降低从而可能引起合金出现相分离或形成脆性相,最终导致材料脆化。为减少或避免脆性相的出现,需要研究其形成特征与形成机理,从而为抑制脆性相提供指导。本论文设计并制备了低活化多主元铁锰铬合金Fe52Mn30Cr18,针对合金的相稳定性问题,重点分析了合金在不同热处理条件下的相变过程和相变机理,阐明了相变对材料强度、塑性等力学性能的影响。本论文工作的主要研究内容与结论如下:1)基于低活化、多主元、奥氏体-铁素体(γ+α)双相的材料基本设计理念,以Fe、Mn、Cr为合金主元设计,从优化相结构考虑设计合金成分,并通过感应熔炼制备Fes2Mn30Cr18合金。通过1150℃均匀化3 h后淬火过程,合金中形成γ+α双相结构。2)通过不同温度的等温热处理过程研究了淬火态双相合金的相稳定性,获得室温至1200℃温度范围内合金中相演化规律。结果显示,直至450℃等温热处理过程中合金中γ相和α相保持稳定。在475℃附近,合金中的α相会转化为χ相。从800℃开始,χ相逐步分解为γ相与σ相交叠的片层状类珠光体结构。当温度高于1000℃时σ相分解形成α相,合金中γ+αα双相共存。温度高于1200℃,合金中γ相消失,材料形成α单相结构。3)针对合金中存在的相变过程,重点研究了 χ相与σ相的形成特征并深入分析其形成机理,为材料中这些相的控制提供可靠的依据。475℃附近α→χ相变主要特征为材料铁磁性消失、体积收缩和无明显的元素重新分布。800℃附近χ→γ+σ分解过程伴随明显的Cr元素重新分布、体积收缩。根据相变特征和相变机理分析可知,通过引入少量原子半径差异大的合金元素可以有效抑制χ相的形成。4)研究了相变对合金力学性能的影响,结果表明,通过1150℃ 3 h均匀化后水淬合金形成了γ+ 双相合金,且不含χ相与σ相,其抗拉强度和延伸率与传统奥氏体不锈钢相当,屈服强度约为其2倍,显示该合金具有较好的强度与塑性。但在475℃附近合金中出现χ相,导致合金发生硬化和脆化,800℃以上χ→γ+σ两相交叠的片层状结构的转变能够部分缓解材料的脆化。而通过1000℃以上均匀化处理后淬火的热处理过程可消除σ相对合金脆化的影响。本论文通过分析铁锰铬多主元合金的相稳定性,揭示了涉及χ相和σ相的相变机理,并分析了相变对合金力学性能的影响,这些研究为通过热处理优化低活化多主元合金组织结构和力学性能提供了科学依据,相关结果可为优化设计新型低活化多主元结构材料提供理论和数据支持。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL341
【部分图文】：

?２５０??Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ?Ｄａｍａｇｅ?（ｄｐａ）??图１．２不同核能系统的工作温度和材料服役辐照剂量区间??Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?Ｍａｔｅｒｉａｌ?Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｗｉｎｄｏｗｓ：?１０－５０?ｄｐａ??ｗｒｒｎ?１?１?￣ｉｉｉｉＭＨｎ??Ｍｏ（ＴＺＭ＞?福照脆化，Ｔ?Ｍ??Ｔ＊＊８Ｗ．２Ｈｆ?ｌ?Ｉ?Ｉ＇ＵＮ?｜?ｍ｜?：??Ｎｈ－，Ｚｒ－ｌｃ?ｘｍｈｍｍＶ?＼??ＶＴ?丨?Ｉ?／??ＯＤＳ?ｆｅｒｒｉｔｉｃ?ｓｔ．?变效应寧响??Ｆ／Ｍ?ｓｔｅｅｌ?Ｈ?＼??３ｉ６ｓｓ?ｉ??Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８??ＳｉＣ／ＳｉＣ?＾霸！??０?２００?４００?６００?８００?１００（ｉ?＂＾２０（ｉ?ｌｕＯＯ??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（Ｘ）??图１．３常用

性的同时在材料塑性变型过程中其强度也逐渐提高，最终使材料兼具良好塑性??和高强度的特性。??图１．６为材料按构型熵值的基本分类［３＼当构型熵低于１及时为普通合金，??当其在及－１．５７？之间为中熵合金，当其高于１．５／？则为高熵合金。Ｎａｔｕｒｅ文献中提??到的铁锰基高熵合金Ｆｅ５〇Ｍｎ３〇ＣｏｉｏＣｎ＜）［３８］，其熵值仅为１．１７凡属于中熵合金范??１２??

ｗ?ｗ?＾?属?ＥＤ?圓??图１．Ｓ合金主元数目与其辐照下的肿胀和缺陷分布情况??Ｒａａｂｅ课题组最先打破僵局，提出了通过调控合金组元和成分降低合金中??单相固溶体形成能力，从而设计非五元等比例双相高熵合金和高熵钢材料??［３８，３９’４６，４７］。他们提出的双相高摘合金Ｆｅ５〇Ｍｎ３〇Ｃ〇１〇Ｃｒ１０?（其中元素成分单位为质??量百分比（ｗｔ．％），下文同，除非特别注明）。室温条件下该合计是ＦＣＣ＋ＨＣＰ??双相结构，ＦＣＣ相占７２％，?ＨＣＰ相占２８％。实验结果显示该材料在拉伸的过程??中，ＦＣＣ相逐渐减少，ＨＣＰ相逐渐增加，对拉伸应变６５％的样品测试显示，其??ＦＣＣ相含量仅占１６％，而ＨＣＰ相含量增加至８４％。这样的塑性变形过程带来??的好处是材料在拉伸变形过程中由于材料ＨＣＰ相的增多强度逐渐增加
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王捷熙;杨超;王艳;刘敏霞;刘茜;房磊;杜为;高峰;权国波;韩颖;;小分子糖负载血小板+冻干保护剂混合悬液的相变点测定与屏蔽实验研究[J];中国输血杂志;2010年05期

2 刘茂森;李志章;姚天贵;俞德才;;NiTiCu形状记忆合金的R相变[J];上海金属.有色分册;1987年03期

3 黄慧民;陈新民;;β-钨至α-钨转变过程的研究[J];中南矿冶学院学报;1987年04期

4 刘茂森;李志章;姚天贵;俞德才;;NiTiCu形状记忆合金的R相变[J];上海金属;1987年03期

5 彭日升;王兴贵;冯雪飞;高阳;;65Nb钢的相变遗传性强韧化工艺研究[J];金属热处理;1987年05期

6 刘茂森 ,李志章 ,姚天贵 ,俞德才;NiTi基形状记忆合金中R相变的X-射线研究[J];浙江大学学报(自然科学版);1988年04期

7 郭东城;929钢中的相和相变观测[J];太原重型机械学院学报;1988年04期

8 余冠儒;对在动力压缩下金属发生相变的可能性的探索[J];信阳师范学院学报(自然科学版);1988年04期

9 张绪礼,周国良,柳宁,邓传益;陶瓷(V_(1-x)Cr_x)_2O_3系统中金属—绝缘体相变的X射线衍射研究[J];无机材料学报;1988年03期

10 钱华;王子孝;;NiTi合金中B2→R和R→M相变的Landau理论[J];武汉大学学报(自然科学版);1988年01期

相关博士学位论文 前10条

1 梁飞翔;金属间化合物中多卡效应的研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2019年

2 曹伟涛;铁锰铬多主元合金中复杂相变及其对力学性能影响研究[D];中国科学技术大学;2019年

3 刘龙祥;(2+1)维U(1)系统中的量子临界动力学和晶体中超爬位错的相变性质[D];中国科学技术大学;2018年

4 李明鹏;相变材料力学行为的时空尺度效应研究[D];武汉大学;2017年

5 刘军;硫化银的相变机制与形状记忆效应研究[D];浙江大学;2019年

6 李凯;钛合金热变形过程中形变与相变的交互作用及织构控制[D];北京科技大学;2018年

7 李周;铜基形状记忆合金中的相变及其相关效应的研究[D];中南大学;2002年

8 宫长伟;Ni-Ti（Ta）合金的相变和电子结构的研究[D];大连理工大学;2006年

9 武会宾;弛豫—析出控制相变技术对贝氏体钢组织热稳定性的影响[D];北京科技大学;2005年

10 贠冰;变形对γ→α相变的影响及变形诱导γ→α相变的数值模拟研究[D];钢铁研究总院;2002年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈勇;张量网络态算法及其对相变的研究[D];湖南大学;2018年

2 霍宵;格点玻色（自旋）系统中物相和相变的蒙特卡洛模拟[D];安徽师范大学;2018年

3 满清涛;精质黑洞的热力学相变与几何热力学的研究[D];兰州大学;2018年

4 钟俞良;相变蓄能板的制备及围护结构蓄冷蓄热研究[D];河北工业大学;2016年

5 刘少宁;相变蓄能墙板因素影响及适应性研究[D];河北工业大学;2016年

6 刘建伟;单晶铪的相变及稳定性的研究[D];山西大学;2018年

7 关爱婷;新型相变控温材料的制备及其性能研究[D];大连交通大学;2018年

8 郑玄;含三甲基膦零维及一维化合物的介电性质研究[D];东南大学;2018年

9 赵寒;周期热载作用下相变散热技术的应用研究[D];西安电子科技大学;2018年

10 王润祯;复杂网络中的渗流相变问题研究[D];电子科技大学;2018年

本文编号：2853164