AlxCoCrFeNi高熵合金的室温和低温力学性能研究

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本文通过真空电弧熔炼炉制备出了Al0.6CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi高熵合金,并利用冷加工和热处理技术实现了两种合金的组织调控和性能优化。使用Instron5969型万能试验机测试了两种合金在298K和77K下的准静态力学性能以及使用霍普金森拉杆测试了Al0.3CoCrFeNi高熵合金在298K和77K下的动态力学性能。最后通过分析合金在变形前后的微观组织,得出了以下结论:
  (1)通过冷轧和退火得到具有异质结构的双相Al0.6CoCrFeNi高熵合金。准静态下的拉伸实验表明,该合金在室温(298K)和低温(77K)下具有良好的屈服强度,拉伸强度和延伸率的组合。尽管拉伸延伸率略有下降,但与298K时的力学性能相比,在77K下的屈服强度和拉伸强度显著提高。通过热力学公式,计算出Al0.6CoCrFeNi高熵合金中面心立方(FCC)结构在298K和77K时的层错能分别为49.33mJ/m2和28.69mJ/m2。结合合金中FCC相的层错能以及电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)的结果分析,可以推断出具有异质结构的Al0.6CoCrFeNi高熵合金在298K时的塑性变形主要由FCC和体心立方(BCC)相中的位错滑移主导,在77K时的变形模式可以分为两个阶段:(1)当真实应变在0-3.815%之间时,塑性变形主要由FCC和BCC相中的错位滑移来主导;(2)当真应变在3.815%和试样断裂之间时,塑性变形主要是由FCC相中的变形孪晶和BCC相中的位错滑移共同来主导的。此外,根据considerer准则,孪晶引起的加工硬化可以进一步推迟颈缩开始时的应力值,从而显著提高合金在77K时的抗拉强度
  (2)通过冷轧,退火和时效处理,在Al0.3CoCrFeNi高熵合金的晶界处析出了B2有序相。准静态拉伸实验表明,CRSA(时效前样品)和CRSA-600-24(失效后样品)样品在室温下都具有优异的屈服强度,抗拉强度和拉伸延伸率的组合。更重要的是,CRSA-600-24样品在77K下实现了强度和塑性的同时提升。分析表明,经过时效处理后,具有超细晶粒甚至纳米级尺寸的B2相析出,以及适当的晶粒细化,使拉伸强度和延伸率显著提高。通过TEM表征,发现在室温下,以位错滑移为主的变形模式转变为77K下的位错滑移加纳米孪晶共同诱导的变形模式。
  (3)使用霍普金森拉杆对Al0.3CoCrFeNi高熵合金分别在298K和77K下进行了动态拉伸实验。结果表明:无论是在室温下还是低温下,该合金都表现出了非常优异的动态力学性能,如在298K下合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到了720MPa、1250MPa和34%;而在77K下,其屈服强度、抗拉强度和延伸率更是达到了1050MPa、2128MPa和37.4%。此外,通过EBSD分析得出,相比于在室温下的准静态拉伸,在室温下的动态拉伸主要是由于应变率的提升,增加了位错的移动速度,导致了局部应力集中,从而激活了孪晶系统,促进了合金强度的提升;而在77K下的动态拉伸主要是由于晶粒的碎化以及层错能的降低,有效激活了孪晶系统,由此导致合金具有优异的强塑性结合。
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