C、Mo微合金化FeMnCoCr系双相高熵合金

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高熵合金一般由5种或5种以上的元素组成,且各主元原子分数范围为5%~35%。高熵合金因其较高的混合熵,原子扩散的迟滞性以及鸡尾酒效应等,使其自身具有高强度、高硬度以及耐腐蚀等优异性能。本文以FeMnCoCr系高熵合金为研究基础,采用间隙C原子和置换Mo原子进行微合金调控,使用X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射技术(EBSD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及透射电子显微镜(TEM)等手段,旨在对其铸态下的微观组织以及力学性能进行系统研究;揭示FeMnCoCr系高熵合金中Mn含量变化时各合金的相组成以及变形前后的相转变规律;根据合金不同的变形阶段分析其TRIP/TWIP变形机制;研究C原子以及Mo原子在合金中的存在形式并找出其对合金性能的影响规律。以下为取得的研究结果:在铸态Fe80-xMnxCo10Cr10高熵合金中,对于变形前的各合金,随着Mn含量的降低,合金由FCC+HCP的双相结构转变为FCC+HCP+BCC的三相结构,进一步降低Mn含量,合金呈现单相BCC结构;Fe60Mn20Co10Cr10合金在变形过程中有部分亚稳态FCC相转变为HCP相,相变量约为10%,而铸态下呈三相结构的Fe65Mn15Co10Cr10合金在变形过程中发生了 FCC相与HCP相同时向BCC相转变的TRIP效应,使其变形后的BCC相体积分数由27.6%转变至85.2%,该过程推迟了颈缩的发生并使Fe65合金在变形的中期阶段具有较高的加工硬化能力,使得该合金在拥有670MPa高强度的同时仍能保持42%的断后延伸率。C原子的加入能够提高合金的层错能,使合金的晶格常数增大,同时将合金中的HCP相逐渐转变为FCC相。在Fe55Mn25Co10Cr10高熵合金中逐渐加入碳时,抗拉强度逐渐升高,在碳含量为4at.%时达到最高为717MPa;延伸率随着碳浓度的增高先显著增加后逐渐降低,在碳浓度为2.5at.%时达到最高为45%。TEM结果表明碳的加入诱导其变形机制由TWIP效应(孪生诱导塑性效应)向MBIP效应(微带诱导塑性效应)转变,强化方式由孪生强化向位错强化转变。在Fe40Mn20Co20Cr20合金中逐渐加入碳时,抗拉强度也逐渐升高,在碳含量为6at.%时达到最高为904MPa,此时树枝晶以及形成的金属间化合物起到主要强化作用,延伸率在碳浓度为3at.%时达到最高33%,约为无C合金的6.6倍。向C合金化后高熵合金中加入Mo元素,会导致合金晶格常数增大,同时Mo元素能够促使合金中的HCP相向FCC相转变,促进σ相的形成。随着(Fe55Mn25Co10Cr10)97.5-x-C2.5Mox合金Mo合金化程度的提高,可以保证在高熵合金基体延伸率为45%不变或小幅降低的前提下,屈服强度和抗拉强度同时提高,这是因为Mo元素引发的置换强化效应使晶格畸变程度增加,从而导致合金的强度增加。另一方面,Mo元素的添加导致合金层错能降低,发生TWIP效应即孪生诱发塑性。在(Fe40Mn20Co20Cr20)97-x-C3Mox高熵合金中,随着Mo元素的逐渐增加,强塑性全面提高,这是因为精细、均匀、适量的σ相的形成提升了合金的力学性能;继续增加Mo元素含量,生成了粗大、成片的σ相,严重阻碍了基体的连续性,力学性能下降。
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