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多组元中熵合金的微观组织与力学性能研究

赵鹏彪  
【摘要】:高熵和中熵合金是在探索熵对稳定化学无序的固溶体结构或结构无序的非晶结构基础上发展而来,且非等原子比-多相第二代高熵合金中每种元素的原子数以不同比例调配,合金的设计自由度更大、性能上的“鸡尾酒”效应发挥更充分,通常同时具有高强、高温热稳定性和高耐蚀性等,弥补了亚稳态材料室温脆性以及亚稳晶化的不足,近年来其开发与研究工作备受关注。本文以中熵合金Fe_(77.3-x)7.3-x Mn_x Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8)(x=14~37,at.%)为研究对象,利用磁悬浮熔炼+真空吸铸法制备棒状试样,由热力学模型计算相关参数及合金层错能,分析Mn含量变化对合金微观组织及室温力学性能的影响,并研究了低温处理及高温热处理对中熵合金微观组织及力学性能的影响。首先,由Boltzmann统计热力学理论,计算了Fe_(77.3-x)7.3-x Mn_x Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8)(x=14~37)合金体系的混合熵值在1.14R~1.31R之间,且随Mn含量的增加而增大;合金的混合焓值在-20.67kJ/mol~-19.61kJ/mol之间,随着Mn含量的增加呈下降趋势;原子尺寸差δ和电负性差?χ均随Mn含量的增加而增大,而价电子浓度VEC值随Mn含量增加呈降低趋势,其中原子尺寸差值在6.72%~6.87%间,电负性差在0.18~0.21间变化,价电子浓度变化范围为6.92~7.14,由于体系中熵合金原子尺寸差、电负性差及价电子浓度值都较小,合金倾向于形成固溶体结构;计算得出该体系中熵合金都具有较低的层错能,层错能值在9.70mJ/m~2~17.12mJ/m~2之间,且层错能随着Mn元素含量的增加逐渐增加,其中Mn含量为x=14的合金层错能最低。在此基础上研究了Fe_(77.3-x)7.3-x Mn_x Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8)(x=14~37)中熵合金体系的微观组织和力学行为。当Mn含量为x=14时,合金铸态试样组织为单一FCC(γ)奥氏体相;随着Mn含量的增加,合金中逐渐析出热致HCP(ε)马氏体。x=14时合金断后组织为FCC(γ)+HCP(ε)+BCT(α′),且随着Mn含量的增加,BCT(α′)马氏体相逐渐减少,HCP(ε)马氏体相逐渐增多,当x≥23.2时合金断后组织为FCC(γ)+HCP(ε),没有BCT(α′)马氏体相的出现。随着Mn含量的增加,材料屈服强度逐渐增加,但断裂强度和塑性却明显逐渐降低,x=37时合金呈完全脆性断裂。当Mn含量为x=14时合金综合力学性能最佳,屈服强度和断裂强度分别为1300MPa、2380MPa,压缩率为16.7%;当Mn含量为x=23.2时合金屈服强度、断裂强度分别为1526MPa、2332MPa,压缩率为16.0%,且这两种合金断口河流状花纹均较多较密并出现大量韧窝。对比不同Mn含量合金的维氏硬度发现,Mn含量为x=23.2的合金硬度较x=14的明显要高,这是由于合金的铸态组织中析出了硬度较大的热致HCP(ε)马氏体相。选择综合室温力学性能优异的Mn含量为x=14和x=23.2的试样,分别研究合金经液氮低温处理和高温淬火热处理后试样的力学行为。发现液氮低温处理后,x=14时合金组织仍保持单一奥氏体结构,x=23.2时合金组织为FCC(γ)+HCP(ε)相,与未处理试样组织无异,但力学性能有显著变化。经低温处理,x=14的中熵合金在应变速率为~?ε=2*10~(-4)s~(-1)时合金力学性能最佳,屈服强度和断裂强度分别为1180MPa、2550MPa,压缩率为19.2%。而x=23.2的合金(FCC+HCP结构)经低温处理后力学性能严重降低,表现为冷脆。x=14及x=23.2的合金,经1100℃保温不同时间(10~60min)淬火热处理后,组织均回复为单一FCC结构,且经高温热处理后,合金力学性能明显提升(x=14的合金热处理后断裂强度和压缩率分别提升36.5%、46.7%;x=23.2的合金热处理后断裂强度和压缩率分别提升4.2%、55.5%),其中两种成分的合金均以保温时间为t=20min的合金力学性能最佳。由断口形貌分析,Fe_(63.3)Mn_(14)Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8)中熵合金经低温液氮处理及高温热处理后试样断口形貌中解理台阶基本消失,河流花样密集、均匀分布,韧窝数量也大大增多,因此Fe_(63.3)Mn_(14)Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8)中熵合金经低温处理及高温热处理后合金力学性能均有提升。


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