CrFeNi系多主元合金微观组织演化和力学性能研究

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高熵合金又称多主元合金是近年来发展起来的一种新型合金。高熵合金具有四种核心效应,包括:高熵合金效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。高熵合金的独特结构和优异性能,使其展现出在汽车、核能、航空航天等重要领域的巨大应用潜力。目前,高熵合金被广泛研究,尤其是面心立方结构高熵合金。这种合金通常具有良好的塑性和优异的低温断裂性能。但面心立方结构高熵合金通常具有较低的室温强度,极大地限制了其作为结构材料的应用和发展。此外,关于中熵合金的研究报道还相对较少,严重制约了新型多主元合金领域的拓展开发。鉴于此,本文主要开展了两方面工作:一方面,采用元素合金化的方法分别对CoCrFeNi和Al7Co24Cr21Fe24Ni24高熵合金进行强化;另一方面,分别采用元素合金化和轧制、退火处理两种方法对CrFeNi中熵合金进行强化,并系统地分析了其组织结构演化和强化机理。首先,制备了一系列具有不同Cr含量的(Al7Co24Cr21Fe24Ni24)100-xCrx高熵合金,系统地研究了Cr元素合金化对(Al7Co24Cr21Fe24Ni24)100-xCrx高熵合金组织结构和力学性能的影响。发现Cr元素的添加导致合金系由单相FCC结构变为FCC+BCC结构。透射电子显微镜(Transmission electron microscope)分析表明存在有序B2相。Cr元素合金化导致合金的硬度、室温压缩屈服强度显著提高,而塑性降低。然后,通过在CoCrFeNi基体上调控Al和Cr元素的含量,成功地制备出具有独特太阳花状结构的(CoCrFeNi)4Cr1Al1高熵合金,并研究了其相演化、局部力学行为和宏观力学性能。结果表明:(CoCrFeNi)4Cr1Al1高熵合金表现出FCC和有序B2相的双相结构。TEM分析表明存在两种不同的有序B2相,一种是Co、Fe、Cr元素富集的,另一种是Al、Ni元素富集的。该合金独特的微观结构导致其具有高的硬度、良好的耐磨损性能和优异的综合室温压缩性能。(CoCrFeNi)4Cr1Al1合金的室温屈服强度为1653 MPa,断裂强度为2950 MPa,断裂应变为29.5%。其次,制备了一系列具有不同Ti含量的FCC+BCC+HCP结构的CrFeNiNb0.1Tix系中熵合金。研究了Ti元素合金化对该系中熵合金硬度、强度和塑性的影响,发现Ti元素合金化导致该合金系的硬度、强度显著提高而塑性降低。该系合金的维氏硬度从512.35 HV提高到866.92 HV;室温压缩屈服强度从1250 MPa提高到2223 MPa。而该系合金的塑性从16.65%降低到2.9%。最后,分别研究了元素合金化和冷轧对CrFeNi中熵合金的强化作用。通过引入Al、Ti元素,制备了一系列具有不同Al和Ti含量的CrFeNiAlxTiy系中熵合金,其中包括具有双尺度结构的CrFeNiAl0.3Ti0.3和CrFeNiAl0.4Ti0.2中熵合金。双尺度结构不仅有益于合金强度的增加也使合金保持良好的塑性。CrFeNiAl0.3Ti0.3合金的室温压缩屈服强度达到1712 MPa,断裂强度为3700 MPa,而断裂应变为39.8%。而CrFeNiAl0.4Ti0.2合金的室温压缩屈服强度达到1600 MPa,断裂强度为3819 MPa,而断裂应变为45%。密度测试表明:Al、Ti元素添加可以降低CrFeNiAlxTiy系合金的密度。CrFeNiAl0.3Ti0.3合金具有最小的密度(6.9294 g/cm3)和最高的比强度(273.28MP?cm3/g)。此外,研究了冷轧和中间温度退火对CrFeNi中熵合金微观组织结构和机械性能的影响。经过82%冷轧后,CrFeNi中熵合金保持单相FCC结构,而600-800°C中间温度退火1 h后在FCC基体上析出了BCC相。冷轧处理显著提高了合金的硬度和强度,却降低了合金的塑性。经过冷轧处理合金的硬度从177.6 HV增加到356.95 HV,室温拉伸屈服强度从136.55 MPa提高到998.66 MPa,而合金的均匀延伸率从49.33%降低到12.24%。中间温度的退火处理导致合金的硬度、屈服强度和拉伸强度逐渐降低,而塑性却逐渐增加。
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