高熵合金力学性能的影响因素

高熵合金作为当今材料领域的一个新的研究热点,相较于传统合金,其力学性能、化学性能及物理性能都有较大提升,在诸多领域都有广阔的应用前景,所以对于高熵合金的研究具有重大现实意义。目前而言,国内外关于高熵合金力学性能的研究获得了较多成果,主要集中在其影响因素方面。从元素种类与含量、陶瓷颗粒、制备工艺及加工工艺角度出发,综述了它们对高熵合金力学性能的影响。     

高熵合金特性和力学性能的研究进展

介绍了高熵合金的基本特性和主要力学性能,如硬度、压缩性能、拉伸性能和室温韧性;论述了合金元素和制备工艺对合金力学性能的影响.如何拓展高熵合金的应用范围以及通过调控合金的组织来提高合金的综合力学性能可能成为下一步的研究方向.     

FeCoCrNiMnC_x高熵合金的组织和力学性能

为了提高FeCoCrNiMn高熵合金的强度,向合金中添加碳元素。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度计以及拉力实验机等设备,分析了该合金的组织结构和性能。结果表明,含碳合金相结构由FCC基体相和M_(23)C_6碳化物组成;随着碳含量的增加,该合金的强度和硬度逐渐升高,但塑性呈下降的趋势。经冷轧退火处理后,该合金的组织和性能得到有效调控。对于FeCoCrNiMnC_(0.1)合金,冷轧退火处理导致M_(23)C_6碳化物均匀地分布于合金中,合金的平均晶粒得到细化,其显微硬度、屈服强度和均匀塑性应变分别为268 HV,581 MPa和25%,呈良好的综合力学性能。     

CoCrFeNiV_x高熵合金的组织与力学性能

采用真空电弧熔炼法制备了CoCrFeNiVx高熵合金(x为V与Co的摩尔比),通过金相观察、X射线衍射、扫描电镜、显微硬度检测和压缩试验等研究了V含量对合金组织及力学性能的影响。结果表明,当x≤0.5时,合金为单一的FCC晶体结构,组织为典型的树枝晶;随着x的增大,合金组织由树枝状向颗粒状转变,并在晶界形成了Co1.9V3.1的金属间化合物。当x≥1时,合金的晶体结构转变为由FCC、BCC和金属间化合物组成的混合结构;CoCrFeNiVx高熵合金的硬度随x的增加而增大,同时塑性降低、脆性增大。     

CrMoNbV高熵合金微观组织与力学性能

利用真空电弧炉熔炼制备了CrMoNbV高熵合金。通过XRD、SEM、EDS分析和显微硬度以及压缩试验,研究了合金的相结构、微观组织和力学性能。结果表明:CrMoNbV合金为单一的BCC固溶体结构,合金铸态组织为典型的树枝晶。Mo主要分布于枝晶内,Cr则分布于枝晶间,Nb,V分布较均匀。CrMoNbV高熵合金的硬度可达681.5HV,抗压强度为1450MPa,几乎无塑性变形发生,压缩断口形貌表现为解理脆断。     

Si对FeMoCrVTiSix高熵合金组织和力学性能的影响

采用真空电弧熔炼工艺制备了FeMoCrVTiSix(x=0、0.3、0.5、1)高熵合金,利用X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度计、万能试验机等设备研究了合金的组织和力学性能。结果表明,x=0时,合金由单一BCC固溶结构组成,随着Si含量增加,合金中逐渐析出(MoCrV)3Si相和(FeCrVSi)2(MoTi)的Laves相,x=1时,Laves相成为主相。随着Si含量增加,合金脆性随之增加,硬度(HV)也呈上升趋势,在x=1时达到最大值1113。     

CoCrFeMnNiCu_x高熵合金的微观组织及力学性能

采用真空电弧炉制备了CoCrFeMnNiCu_x高熵合金,研究了不同Cu含量对该体系高熵合金的微观组织及力学性能的影响。结果表明,高熵合金的微观组织为树枝晶,合金的枝晶富含Co、Cr、Fe,而枝晶间富含Ni、Mn。Cu易偏析于枝晶间,添加Cu并没有使合金晶体结构发生改变,仍为FCC结构。随着Cu含量的增加,合金的抗压强度及显微硬度先增大后减小,但增减幅度很小。当x=0.8时,合金的抗压强度和硬度达到最大值。含Cu的6组元高熵合金的抗压强度及显微硬度明显高于不含Cu的5组元高熵合金。     

Al_xCoCuFeNi高熵合金的组织结构与力学性能

设计并制备了AlxCoCuFeNi系列高熵合金,系统研究了合金的组织结构及力学性能。结果表明,当x0.85时,合金为单一的FCC晶体结构;随Al含量的增加,合金的晶体结构转变为以BCC为主及少量FCC的混合结构;当x2.35时,合金形成了单一的BCC结构。Cu促进合金形成FCC结构,而Cr则利于形成BCC结构,然而,当合金体系中同时含有等摩尔比的Cu、Cr两组元时,Cu对合金结构的影响远大于Cr,从而使合金易于形成FCC结构。AlxCoCuFeNi高熵合金的组织形貌随Al含量的增加,由树枝晶形貌向等轴晶转变,合金的硬度也显著增加。     

Al_xCoFeNiMo高熵合金的结构演变及力学性能

采用真空电弧熔炼法制备了一系列Al_xCoFeNiMo合金(x=0、0.3、0.5、0.8、1.0)。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、万能试验机以及显微维氏硬度计,研究了铝元素含量变化对试样的晶体结构、显微形貌、成分、压缩性能和硬度的影响。结果表明,随着铝含量的增加,晶体结构从最开始的由富(Co、Fe、Ni)的FCC和μ双相组成,逐渐转变成FCC、μ和富(Al、Ni)的BCC的三相结构,最后转变成BCC和μ双相结构。CoFeNiMo合金具有较好的综合力学性能,其抗压强度为1997.8MPa,塑性应变为17%。随着铝含量从x=0逐渐增加到x=1.0,抗压强度先增大后减小,维氏硬度值从HV458单调增加至HV750。分析认为,Al元素的固溶强化作用和FCC相转变为BCC相是合金强化的重要原因。     

高熵合金的力学性能及功能性能研究进展

高熵合金是21世纪初才问世的新型金属材料。尽管其诞生至今时间较短,但高熵合金因具有多种优异性能、特别是具有优异的力学性能、优异的催化和抗辐照等性能而受到广泛关注。近年来,相关研究已取得了显著进展,很有必要对其研究进展进行梳理。为此,本文简要综述了相关研究成果,并从高熵合金的基本概念、力学性能和功能性能3方面进行概括介绍,以期为高熵合金研究人员提供参考。     

AlCoCrFeMnTi_x高熵合金的组织结构与力学性能

利用非自耗真空电弧炉制备了AlCoCrFeMnTi_x高熵合金。通过XRD分析、金相组织观察、SEM观察、显微硬度和耐磨性测试,研究了Ti元素含量对AlCoCrFeMnTi_x合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:AlCoCrFeMn合金由单一的BCC相构成,随着Ti含量的增加,合金中出现了面心立方相。该合金铸态组织为典型的树枝晶结构,Ti的加入使得合金晶粒变细,且大小更加均匀。随着Ti含量的增加,AlCoCrFeMnTi_x合金的硬度最高达700 HV,同时耐磨性提高。     

退火温度对FeMoCrVTiSix高熵合金组织及力学性能的影响

在400、600、800、1100 ℃下对FeMoCrVTiSi_x(x=0、0.3)进行退火处理,利用X射线衍射仪、扫描电镜、差热扫描分析仪、显微硬度计、万能试验机等探究了不同退火温度对合金的组织和力学性能的影响。结果表明,Si元素的添加提高了FeMoCrVTi高熵合金的热稳定性。经过退火处理,FeMoCrVTiSi_x高熵合金的微观组织仍为以BCC固溶相为主的枝晶结构,但在枝晶边缘出现黑色的细小富Ti相,其含量随着退火温度的增加而增多,在1100 ℃下富Ti相回溶。富Ti相的析出提高了合金的硬度,其中,800 ℃退火后试样的硬度达到最大值,FeMoCrVTi试样的硬度达到932 HV0.2,FeMoCrVTiSi_0.3的硬度达到998 HV0.2。     

冷轧退火对FeMnCoCrAl高熵合金组织和力学性能的影响

使用真空电弧炉熔炼出(Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)₉₄Al₆合金,利用冷轧及在不同温度对合金进行退火,以期望得到由多尺度再结晶晶粒构成的层状结构;并对不同退火温度的样品进行拉伸性能测试。利用扫描电镜和EBSD对合金组织形貌进行表征,采用X射线衍射方法研究其相组成。结果表明:合金在铸态和冷轧后相组成未发生变化,700 ℃退火得到较好的多尺度再结晶晶粒的层状结构,其屈服强度为487 MPa,抗拉强度为708 MPa,断后伸长率为39%,表现出良好的综合力学性能。     

退火对CrCuFeMnTi高熵合金组织结构和力学性能的影响

为了研究退火处理对CrCuFeMnTi高熵合金组织结构和力学性能的影响,通过真空电弧熔炼法在氩气保护下制备了铸态合金,在不同温度下对合金进行退火处理,观察其组织结构并进行力学性能测试。结果表明:铸态CrCuFeMnTi高熵合金由1个密排六方和1个面心立方结构固溶体构成,形成由枝晶相和枝晶间相组成的典型枝晶组织形貌;合金在750℃以下退火时,主要以元素的扩散和组织的均匀化为主,经过900℃等温退火处理后,合金中密排六方结构的固溶体逐渐转变成体心立方结构固溶体,该相变过程是由元素扩散引起及控制的;经过750℃以下的退火处理后,合金的硬度和断裂强度均有所提高,但断裂行为均表现出脆性特征。     

热处理对FeCrVTiMo高熵合金微观组织及力学性能的影响

核反应堆材料问题一直是制约先进核能发展的主要瓶颈之一,开发低活化材料的需求十分迫切。高熵合金这一概念的提出为低活化材料提供了新的发展思路。选择Fe、Cr、V、Ti、Mo五种低活化元素作为主元素,进行了调整Mo元素含量的真空熔炼。结果都形成了较为均匀的固溶体组织。合金的微观组织分为BCC1和BCC2两相,并且在BCC2相中出现了有序固溶体。FeCrVTiMo高熵合金经均匀化热处理之后未出现新相,元素的富集程度增加,力学性能下降。     

轧制变形对高熵合金微观组织和力学性能的影响

对(FeNi)₆₇Cr₁₅Mn₁₀Al₅Ti₃高熵合金进行退火、冷轧和热轧+冷轧等工艺处理,采用X射线衍射仪、扫描电镜和万能试验机分别对合金进行物相组成、组织形貌以及力学性能测试和表征。结果表明,铸态和退火态的非等主元(FeNi)₆₇Cr₁₅Mn₁₀Al₅Ti₃高熵合金更易形成单相固溶体;在中等变形的热轧+冷轧工艺下,合金形成FCC+BCC的双相固溶体,其屈服强度可提高到460.0 MPa;在中等变形的冷轧工艺下,合金会形成细小的金属间化合物,从而具有细小金属间化合物强化机制,使屈服强度显著提升并达到722.0 MPa,同时,合金仍具有约25.7%的均匀伸长率,综合力学性能最佳。     

B含量对FeCrCoNiMn高熵合金组织及力学性能的影响

采用真空电弧熔炼炉制备了FeCrCoNiMnBx高熵合金,并对其微观组织和力学性能进行测试。未加入B元素时,合金组织具有单一FCC结构的胞状晶。B含量≥0.05时(at%),组织由FCC结构和具有树枝状和纳米颗粒状(Cr,Fe)₂B组成。随B含量的增加,合金的抗拉强度逐渐增加,硼含量为0.2(at%)时,合金的抗拉强度达到最大值610 MPa,但延伸率只有7%。B含量为0.1时,合金的综合力学性能最佳,抗拉强度为550MPa,延伸率为20%。故加入适量的B元素能提高高熵合金综合力学性能。     

Nb元素对高熵合金涂层组织与力学性能的影响

利用激光熔覆技术在Q235基体表面制备CoCrFeNiTi_0.8Nb_y(y=0.25,0.5,0.75,1.0)涂层.采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪等方法分析涂层的相结构和微观组织等;用显微维氏硬度计、摩擦磨损试验机测试涂层的硬度与耐磨性能.结果表明,组织中呈现典型的树枝晶结构,加入Nb元素,涂层微观组织的尺寸减小,增加Nb元素含量时,高熵合金涂层的晶体结构由体心立方相(body-centered cubi,BCC)、少量的面心立方相(face-centered cubic,FCC)和Fe₂(Ti,Nb)型的Laves相组成;在细晶强化、固溶强化和第二相强化的共同作用下提高了涂层的显微硬度;中间相的存在一定程度上可以阻碍犁削切削过程的进行,进而提高了涂层的耐磨性能;CoCrFeNiTi_0.8Nb_0.75涂层的硬度和耐磨性最好,硬度为710 HV,约为基体的4倍,涂层的磨损量最小,磨痕较为平整.