动态预压缩对CoCrFeNiMn高熵合金微尺度压入硬度的影响

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高熵合金具有优异的力学性能,如高硬度、高强度、高电阻率、优良的耐磨损能力、优异的磁性能以及高温力学和抗氧化性能等,这也使得高熵合金成为了近些年的研究热点。尽管对CoCrFeNiMn高熵合金已经有了大量研究,关于合金在高温动态下的力学响应仍不清楚,需要进一步的研究来解释合金的高温动态力学行为。另外高熵合金在微尺度领域有着广阔的应用前景,了解高熵合金的微观机理也成为了高熵合金的研究重点,据此本文研究了预压缩对合金微尺度压入硬度的影响,具体研究内容和结论如下:(1)利用高真空电弧熔炼法制备了CoCrFeNiMn高熵合金,利用X射线衍射分析法(XRD)分析合金的晶体结构,测试表明该合金为单一面心立方(FCC)晶体结构;采用X射线能谱分析(EDS)测试合金的元素组成及百分比含量,结果表明各主元素的质量分数分别为:Mn17.2%、Co17.9%、Cr19.0%、Fe20.1%、Ni25.9%;采用电子背散射衍射实验(EBSD)测得合金晶粒尺寸约为几微米到十几微米之间。(2)在准静态压缩应变率2×10-4s-1~2×10-2s-1与动态压缩应变率2800s-1~5200s-1应变率范围内,CoCrFeNiMn高熵合金表现出明显的应变率效应和加工硬化效应。准静态条件下,该合金的应变率敏感性值m=0.028,与准静态下相比,合金在动态高应变率条件下表现出较高的应变率敏感性,屈服强度随应变率的增大而增大,且合金的加工硬化行为随应变率的改变也表现出明显的差异性。该合金具有较高的温度敏感性,与室温条件下相比,合金的屈服强度在400-1000℃温度下比室温更低,且随着温度的升高而下降,值得注意的是合金在800-1000℃时流动应力的下降幅度较大,造成这一现象是由于绝热温升和合金动态再结晶的影响。另外,室温动态预压缩试样产生的塑性应变分别为12%、23%、40%、47%,高温动态预压缩产生的塑性应变分别为45%(400℃)、51%(600℃)、61%(800℃)、72%(1000℃)。(3)采用电子背散射衍射(EBSD)技术对预压缩后的试样在轴向和径向压缩平面进行微观结构表征,并用考虑绝热温升和动态再结晶的Johnson-Cook本构方程对试样的塑性变形进行分析。结果表明:CoCrFeNiMn高熵合金在温度低于800℃时晶粒尺寸无明显变化,当变形温度达到800℃时,合金发生了动态再结晶,晶粒尺寸明显变大,变形温度增加到1000℃时,几乎完全形成了再结晶组织,采用考虑绝热温升和动态再结晶的Johnson-Cook本构方程与CoCrFeNiMn高熵合金的动态实验结果具有更好的一致性,进一步验证了绝热温升和动态再结晶对该材料变形行为的影响。(4)对第三章预压缩试样进行了轴向和径向的微压入测试,基于宏观尺度下的强化函数,结合微尺度压入的变形梯度理论并考虑在压入测试过程中弹性变形,建立了一个用于描述高熵合金微压入尺度效应的理论模型,并用该模型探究宏观预压缩对CoCrFeNiMn高熵合金微尺度压入硬度的影响,结果表明:宏观预压缩下不同的塑性变形对合金的微尺度压入硬度具有显著的影响,与轴向压缩相比,径向压缩下剔除尺度效应的硬度H0更大。该研究方法建立了宏观塑性变形与微尺度压入硬度之间的联系,也为实现微尺度压入测试判定材料内部塑性变形的研究方法提供了新思路。
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