论文部分内容阅读
高熵合金（High Entropy Alloy,HEA）作为一种新兴多主元合金,凭借其优异的综合性能,受到广泛的关注。不同于传统合金由一种或两种主元构成,通过添加其他元素来提高性能,高熵合金由五种或五种以上的元素以等原子比或近似等原子比组成,虽然高熵合金由多种主元组成,但它却没有形成吉布斯相率所预测的复杂的金属间化合物,而是形成了简单结构,例如体心立方、面心立方或者是密排六方。已有的研究表明面心立方结构拥有良好的塑性,而体心立方结构可以提供较高的强度,为了能够得到强度和塑性的平衡,人们提出了共晶高熵合金的概念,通过形成面心立方和体心立方共晶相,使合金拥有较高强度的同时,保持良好的塑性。本文通过宏观拉伸、原位拉伸等实验,配合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等实验设备和仪器对AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的力学性能和断裂机理进行了研究。结果表明由面心立方相和体心立方相以层片状方式形成的铸态AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金拥有较高的抗拉强度和良好的断裂塑性,其断裂强度和断裂应变分别达到了1005MPa和15.4%。为了研究共晶高熵合金在单轴拉伸载荷下的断裂机理,本文分别制备了大圆弧试样和小圆弧缺口试样进行原位拉伸实验,结果表明:铸态AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金在受到单轴拉伸载荷时,软韧的面心立方相会先发生塑性变形,形成滑移带,此时与面心立方相紧密结合的体心立方相内部会因为难以发生塑性变形而形成较大的内应力,由于体心立方与面心立方共晶相的界面结合强度要高于体心立方相自身的强度,所以形成的内应力会以体心立方相的断裂来进行释放,并形成一条微裂纹,该初始微裂纹与拉应力方向成45°角,在微裂纹尖端由于尖端效应,会形成较高的应力场,在高应力的作用下裂纹开始扩展,与此同时在尖端附近的体心立方相也会在高应力的作用下形成新的微裂纹,新的裂纹扩展后与原始微裂纹汇集,形成一个主裂纹,随后在主裂纹尖端附近又形成微裂纹,扩展后再次与主裂纹汇集,使主裂纹向前扩展一定距离,这一过程不断进行,直至最终试样断裂。虽然实验过程中发现材料中有夹杂相的开裂和富Al相和基体脱粘现象,但这些地方均没有成为最终形成裂纹的起裂源。对铸态AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金力学性能的研究表明它具有良好的综合力学性能,但考虑到铸态合金中硬脆的体心立方相以粗大的层片状形式存在,限制了合金性能的提高,本文制定了800℃、1000℃和1200℃三个轧制温度对铸态合金进行轧制实验。通过对不同温度轧制材料进行力学性能实验,X射线衍射实验,组织分析实验等相关实验后发现,经轧制后材料的抗拉强度和断裂应变均得到提高,其中经800℃轧制后的性能最佳,抗拉强度和断裂应变分别达到了1475MPa和20.4%,较铸态分别提高了46.8%和32.5%;1200℃轧制后的断裂应变是最高的,达到了25.1%,抗拉强度为1193MPa;1000℃轧制后的性能最差,抗拉强度和断裂应变分别为1085MPa和18.6%。对轧制材料的XRD分析结果显示,经不同温度轧制后,体心立方晶格衍射峰强度降低,部分面心立方晶格衍射峰强度增强,表明轧制后体心立方相得到细化。对轧制面和轧制侧面的SEM和OM观察结果表明,800℃轧制后,体心立方相中的白色颗粒状析出相得到细化,较铸态时的数量也增多;经1000℃轧制后,在材料的轧制面上局部出现了大块体心立方相,白色颗粒状析出相也仅存在于这些体心立方相上,且尺寸明显增大,而在轧制侧面却没有出现白色析出相,而是在面心立方基体上析出了棒状和球状的析出相,该析出相与体心立方共晶相拥有相同的成分和结构;1200℃轧制后的高熵合金,在轧制面和轧制侧面均没有出现白色析出相,在轧制侧面只出现了球状体心立方析出相。综上所述,不同温度的热轧工艺会对AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的力学性能和相组成产生影响。