CrCoNi多主元合金的晶粒生长调控及其强韧化作用

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近些年来,CrCoNi多主元合金由于其优异的力学性能而备受关注。虽然其具有良好的韧性,但在缺乏有效手段控制晶粒生长的情况下,使用传统的热机械加工工艺会使得该合金在再结晶过程中形成粗大的晶粒组织,不利于其获得理想的综合力学性能,一定程度上限制了其作为结构材料的实际应用。晶粒细化可以同时提高合金的强度和塑性,因此调控CrCoNi多主元合金再结晶过程中的晶粒生长有助于提升其力学性能。针对传统热机械加工中CrCoNi多主元合金再结晶晶粒粗大这一缺点,本文采用溶质拖曳效应和Zener钉扎效应调控该合金再结晶过程中的晶粒生长,以建立晶粒生长动力学与溶质、再结晶退火参数之间的关联关系,最终获得细小晶粒组织的设计和制备方法。本文研究了溶质元素和析出物析出对CrCoNi多主元合金晶粒生长和力学性能的影响。研究工作主要内容及结论如下:1、首先研究了不同性质的溶质元素对CrCoNi多主元合金晶粒生长的拖曳作用。基于合金化元素和基体元素之间的自扩散激活能的差值,选择了不同的溶质加入到CrCoNi多主元合金中,研究了CrCoNi多主元合金的晶粒生长行为和力学性能。选择Mo和Al作为溶质,主要是因为它们的自扩散激活能分别高于和低于基体元素。它们的浓度选取为3 at.%,因为先前的研究表明这些组分能形成具有面心立方结构的单相固溶体。在不同退火温度和时间下获得了不同晶粒尺寸的试样。经拟合计算后,CrCoNi,(CrCoNi)97Mo3和(CrCoNi)97Al3多主元合金的晶粒生长的激活能分别约为251,368,219 k J/mol,符合自扩散激活能较高的元素阻碍晶粒生长,而自扩散激活能较低的元素加速晶粒生长这个设想。2、为了进一步抑制CrCoNi多主元合金晶粒的生长,获得更为细小的晶粒。在已有溶质拖曳的基础上,进一步引入Zener钉扎效应。即在(CrCoNi)97Mo3多主元合金中添加0.5 at.%C,以形成碳化物,使晶界发生钉扎,同时自扩散系数较低的Mo表现出溶质拖曳效应。结果表明,再结晶过程中,大部分Mo溶解在基体中,M23C6碳化物均匀析出;该方法对控制晶粒生长的效果显著,可获得更细小的等轴晶粒。经拟合计算后,(CrCoNi)96.5Mo3C0.5多主元合金的晶粒生长激活能为511 k J/mol,是CrCoNi多主元合金(251 k J/mol)的两倍左右,表明通过调整碳化物析出相和选择合适的溶质元素,可以调节CrCoNi多主元合金在传统热机械加工过程中的晶粒生长动力学。3、研究了晶粒调控对CrCoNi多主元合金力学性能的影响。3 at.%的Mo的添加使得CrCoNi多主元合金室温拉伸屈服强度提高约40%,而Al的强化效果较弱。三种单相多主元合金(CrCoNi,(CrCoNi)97Mo3和(CrCoNi)97Al3)的屈服强度随晶粒尺寸的变化遵循经典的Hall-Petch关系,其斜率比传统固溶体高得多(>600 MPaμm1/2)。进一步地,CrCoNi多主元合金中添加少量的Mo(3 at.%)和C(0.5 at.%)后,获得了更加优异的强度-延性组合。经850℃/1 h退火处理后,(CrCoNi)96.5Mo3C0.5多主元合金的室温屈服强度达到840 MPa,是基体合金的两倍多,并且保持着优异的延伸率(~40%)。4、进一步研究了(CrCoNi)96.5Mo3C0.5多主元合金的强韧化机制。室温条件下,晶界强化和析出强化为其主要的强化机制。拉伸失效后的变形组织中出现了大量层错。在室温到600℃的热变形温度范围内,(CrCoNi)96.5Mo3C0.5多主元合金均展现出了良好的力学性能。随着热变形温度的降低,其屈服强度和极限抗拉强度均增加。在中等热变形温度(400℃)时,拉伸曲线出现锯齿流动行为。当热变形温度上升到600℃时,其加工硬化指数下降到0.64,表明该材料在高温下加工硬化能力较弱,但同时其延性明显提高。(CrCoNi)96.5Mo3C0.5多主元合金高温下的主要强化机制为M23C6碳化物的析出强化和轻微晶界强化。不同的热变形温度下,平均晶格摩擦应力的改变是其屈服强度展现出温度依赖性的主要原因。本文的工作表明,通过选择具有适当扩散和物理性质的溶质元素,可以调控CrCoNi多主元合金的晶粒生长和固溶强化效果。在此基础上,引入并调整碳化物析出相的性质,可以更加显著地调节CrCoNi多主元合金在传统热机械加工过程中的晶粒生长。而溶质元素和碳化物在调控CrCoNi多主元合金晶粒生长的同时,对其在室温和高温条件下的力学性能的提升均有着积极作用。
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