间隙原子对Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金微观组织及力学性能的影响

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多主元元素混合而成的高熵合金打破了传统合金设计理念,其通常由五种及以上元素按照等原子比或近等原子比组成,具有较高的混合熵。多组元、高混合熵的特点使其具有独特的物理、化学和力学性能,如优越的低温断裂韧性、抗辐照、耐高温、宽温域服役等优异性能,有望突破现有材料性能极限,满足国防、能源、环境、交通等领域的重大需求。然而,强韧性失衡的问题同样困扰着高熵合金,因此,可平衡强韧性的相变诱导塑性(TRIP)双相高熵合金受到研究者的广泛关注。同时,研究表明在高熵合金中掺杂小尺寸原子可实现对材料形变机制的调控,进一步提高材料的强韧性。因此,本论文围绕在一种典型的TRIP双相高熵合金(Fe50Mn30Co10Cr10)中掺杂不同类型的间隙原子,研究形变及热处理对其微观组织演变及力学性能的影响,取得以下结论:首先,研究了不同间隙原子对双相Fe49.5Mn30Co10Cr10X0.5(X为C、N和B)高熵合金微观组织及室温拉伸力学性能的影响。间隙原子的掺杂可细化均匀态及再结晶态样品晶粒尺寸。同时,间隙原子的掺杂将影响均匀态样品中ε相含量,C、N和B均具有稳定γ相、抑制γ→ε相变的作用。B掺杂样品具有最优的力学性能,C掺杂次之,N掺杂最差。C和B掺杂样品的断裂形貌为典型的韧性断裂,而N掺杂样品为解理断裂和韧性断裂的混合形貌。其次,基于B掺杂样品具有最优力学性能,展开了不同B含量Fe50-xMn30Co10Cr10Bx高熵合金微观组织及拉伸力学性能研究。结果表明,增加B含量,可显著细化均匀态样品的晶粒尺寸,而对再结晶态样品的晶粒尺寸细化程度不明显。在均匀态样品中,γ晶粒尺寸会影响热诱导ε相含量,即ε相含量随B含量增加而减少,而再结晶态样品中γ晶粒尺寸对ε相含量的影响不明显。此外,γ晶粒尺寸会影响热诱导ε变体的数量:在均匀态样品中,ε变体数量随B含量的增加而减少,而在再结晶态样品ε变体数量一致,且均少于均匀态样品的ε变体数量。拉伸结果表明,随着B含量的增加,合金的屈服强度和抗拉强度逐渐增加,而延伸率有所降低。最后,分析了Fe50Mn30Co10Cr10(B0样品)和含硼Fe49Mn30Co10Cr10B1(B1样品)高熵合金的形变组织及其形变机理。首先,对B0样品设计了两种不同的晶粒尺寸,即粗晶(均匀态)和细晶(再结晶态)。结果表明,在B0样品中,γ晶粒尺寸可以决定形变诱导ε二次变体和{10(?)2}孪晶的激活顺序:在形变初期(10%),仅粗晶中激活ε二次变体和{10(?)2}孪晶;而在形变后期(40%),在粗晶和细晶晶粒内ε变体取向均趋于一致。其次,细致分析了B原子对形变组织的影响:在形变初期(10%),激活了ε二次变体及{10(?)2}孪晶;在形变中期(20%),大量的堆垛层错作为ε马氏体相变核心,促进γ→ε相变;在形变后期(40%),γ→ε相变饱和,ε相内除二次变体及{10(?)2}孪晶的激活以外,还激活{10(?)1}和{10(?)3}孪晶以适应塑性变形。
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