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《大连理工大学》 2018年
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两种强化方法对CoCrFe_2Ni高熵合金结构组织与力学性能的影响研究

韩林格  
【摘要】:高熵合金是近些年发展起来的一类新型合金,打破了传统合金的设计枷锁。研究结果显示高熵合金具有很多优异的物理、化学和力学性质,具有潜在的重要工业前景和理论研究意义。通常FCC结构高熵合金具有好的塑性,但是强度较低,可通过后续的热处理和变形的方法来获得强度和塑性匹配的力学性能。本课题旨在通过成分设计理论结合实验研究,设计出具有单FCC结构和较好塑性的高熵合金,然后通过后续的热处理和加工方法,通过牺牲部分塑性以提高所设计的单相高熵合金的强度,从而使得FCC结构高熵合金的强度和塑性达到优化的匹配。本课题使用VEC、δ、ΔX、ΔH模型,以典型的FCC结构的CoCrFeNi高熵合金作为基体合金系进行合金设计,得到CoCrFe_xNi(x=2,3,4)、CoCrFeNi_x(x=2,3,4)、CoCrFe_xNi_x(x=2,3,4)系列合金。然后通过对上述系列合金的组织结构和性能的综合分析,筛选出合金成本较低,综合性能优异的CoCrFe_2Ni合金系为基,对合金进行后续强化的系统研究。通过添加不同的其他元素来提高CoCrFe_2Ni合金系的强度,实验研究发现Mo元素具有较大的原子半径和较好的强化效果,本文设计了CoCrFe_2Mo_xNi(x=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)系列高熵合金,并研究了Mo元素的含量对CoCrFe_2Ni高熵合金的组织和力学性能的影响机制,主要结论如下:(1)随着合金中Mo元素的增加,合金的组织结构由单FCC结构的固溶体转变为FCC结构固溶体+FeMo型σ相,再到FCC结构固溶体+FeMo型σ相+Fe_7Mo_6型μ相。相应地,该合金系的显微组织形态由单相柱状晶形态向两相树枝晶形态转变,最后转变为近似共晶结构形态。(2)随着Mo元素含量的增加,合金的硬度与强度随之增强,同时,塑性随之降低。其中CoCrFe_2Mo_(0.6)Ni高熵合金显示了优异的综合力学性能,其维氏硬度为254HV,压缩屈服强度为542MPa,压缩率超过50%仍未发生断裂。对合金进行合理的后续加工也是常见的改善合金性能的方法之一。本课题考虑加工硬化的机理,首先对CoCrFe_2Ni高熵合金进行了冷变形;同时,研究变形量的变化对该合金组织性能的影响。分析结果如下:(1)当形变量为20%时,该合金中的晶粒被打碎,相较于铸态合金,晶粒尺寸变小。当形变量为40%时,该合金中的晶粒有沿着形变方向被拉长的趋势;当形变量为80%时,该合金的晶粒被进一步拉长,晶粒尺寸与铸态合金较为接近。(2)合金的性能随着合金形变量的变化发生了变化。随着形变量的增加,合金的硬度呈线性趋势增长。随着热处理保温温度的变化,CoCrFe2Ni高熵合金的结构组织与力学性能也发生相应变化:(1)对轧制后的试样进行保温处理1小时处理时,当温度为800?C和900?C时,合金晶粒形态相较于未进行再结晶退火的试样而言,没有明显变化。当保温温度为950?C时,合金晶粒尺寸最小,且伴随大量的孪晶的产生。随着保温温度的上升,合金晶粒尺寸增大,孪晶尺寸也增大,数量随之减少。然而,随着保温温度的变化,合金的结构并未发生变化,仍为单FCC结构,且晶格常数也不随温度的变化而发生变化。此外,随着保温温度的升高,合金的硬度逐渐降低,起初呈直线趋势降低,之后,趋势趋于平缓,基本保持不变。(2)通过对保温温度为950?C、1000?C、1050?C的轧制拉伸试样结果分析可知:相较于铸态试样,经过再结晶退火的合金试样的强度均有所提高,而塑性并未有大幅度降低,甚至有增强趋势;经过再结晶退火的试样随着保温温度的升高,试样的强度逐渐降低,同时塑性增强。保温温度为1000?C的再结晶退火工艺使CoCrFe_2Ni高熵合金获得更好的综合性能,此时合金的硬度达到136HV,拉伸屈服强度达到194MPa,抗拉强度达到549MPa,延伸率达到70%。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG139

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【参考文献】
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