热处理和元素含量对高熵合金组织和性能的影响

论文摘要

高熵合金突破了以一种或者两种金属元素为主的传统合金的发展框架,发展出一种新的合金设计理念。它一般由五种或五种以上元素进行混合形成的,各主元元素混合产生高熵效应,促进元素充分混合形成简单的组织结构。这使得其组织和性能特点在许多方面有别于传统合金,具有很大的应用潜力。本文利用电弧熔炼和铜模吸铸法制备了FeCoNiCuAl、FeCoNiCuAlCrx （x=0.5.1、1.5、2、3）、FexCoNiCuCr（x=0.2、0.5.0.8、1、2）等多种高熵合金,同时对FeCoNiCuAl和FeCoNiCuAlCr两种合金分别进行了一般热处理和强磁场热处理。利用X射线衍射（XRD）、光学显微镜、扫描电镜、万能力学试验机及显微硬度计等手段,分别研究了Cr含量、Fe含量、以及热处理和强磁场热处理对高熵合金的相组成、微观组织及性能的影响。研究发现,铸态FeCoNiCuAl高熵合金相结构由简单的体心立方（BCC）和面心立方（FCC）相组成。FeCoNiCuAl合金在不同热处理温度（600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃）下保温5小时后,其相结构没有发生改变。由于合金元素固溶度随温度的变化而变化,因此当退火温度升高到800℃时,合金中明显析出具有FCC相结构的α1颗粒。合金中α1相随热处理温度的升高而愈来愈多,颗粒形状逐渐变为针状或圆形状。1000℃退火5小时的合金中,其各元素均匀分布在合金的枝晶和枝晶间。相应地,合金的室温抗压屈服强度逐渐下降、室温塑性逐渐增加。FeCoNiCuAl高熵合金在800℃下进行不同保温时间的热处理后,合金中析出的α1相颗粒随热处理时间的延长而逐渐增多。其合金压缩屈服强度基本保持不变,时效24小时的合金塑性形变出现了二次屈服现象。FexCoNiCuCr系高熵合金是由两个FCC相组成的固溶体。合金系微观组织为典型的树枝状结构。当Fe元素摩尔比小于1元素时,合金试样FCC相（200）晶面峰值强度随Fe元素的含量增加而增强。由于Fe-Cu原子之间较正的混合焓值,Fe元素的添加促使Cu元素偏聚于晶间。显微硬度测试表明,Fe元素量的增加使合金的维氏硬度逐渐下降。铸态FeCoNiCuAlCrx系高熵合金是由简单的体心立方（BCC）和面心立方（FCC）相组成。XRD分析表明,Cr元素含量的增加有助于合金组织中BCC相的形成。同时,Cr含量的添加影响了合金的凝固模式。x=0.5时,合金试样在冷却凝固过程中发生亚共晶反应。随Cr含量的增加,凝固模式从亚共晶转为共晶和过共晶。x=3时,合金凝固模式为过共晶。Cr元素含量的增加,合金的压缩屈服强度逐渐增大,塑性形变变小。当x=3时,合金还没有到达屈服点而断裂。FeCoNiCuAlCr高熵合金在不同均恒磁场强度和700℃下保温2小时后,结果表明,磁场热处理后,合金的相组成未发生明显变化。磁场增大到4T后,合金试样纵截面微观组织取向基本一致。磁场强度的增加,热处理后合金的压缩屈服强度基本保持不变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高熵合金的概述
• 1.1.1 高熵合金的概念
• 1.1.2 高熵合金的发展概况
• 1.1.3 高熵合金的应用前景
• 1.2 高熵合金的制备方法
• 1.3 高熵合金的微观组织和性能特点
• 1.3.1 组织特点
• 1.3.2 性能特点
• 1.4 元素对高熵合金的组织影响
• 1.5 热处理对高熵合金的组织和性能的影响
• 1.6 强磁场下的热处理
• 1.7 本课题的研究目的和内容
• 第二章 合金的制备及检测方法
• 2.1 实验方案及路线
• 2.1.1 合金的成份选择
• 2.1.2 合金制备过程
• 2.1.3 高熵合金的热处理
• 2.2 合金的组织结构分析
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）
• 2.2.2 金相照片
• 2.2.3 扫描电子显微镜
• 2.3 合金的性能分析
• 2.3.1 压缩性能测试
• 2.3.2 显微硬度测试
• 第三章 热处理对FeCoNiCuAl高熵合金组织与性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验结果与分析
• 3.2.1 微观组织及结构分析
• 3.2.2 压缩性能
• 3.2.3 显微硬度
• 3.3 本章小结
• 第四章 Fe、Cr元素含量对高熵合金组织与性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 微观组织及结构分析
• xCoNiCuCr系高熵合金微观组织及结构'>4.2.1 Fe_xCoNiCuCr系高熵合金微观组织及结构
• x系高熵合金微观组织及结构'>4.2.2 FeCoNiCuAlCr_x系高熵合金微观组织及结构
• 4.3 压缩性能
• 4.4 显微硬度
• 4.5 本章小结
• 第五章 强磁场热处理对FeCoNiCuAlCr高熵合金的组织与性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 微观组织及结构
• 5.2.2 力学性能
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介