新型高熵合金微观结构及塑性变形机理研究

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传统合金设计通常以某一元素作为主要组元,通过添加其它合金元素来改善其某项性能指标。高熵合金的出现打破了传统合金设计理念,其采用5至13种元素按照等原子比或近似等原子比合金化,每种组成元素其原子百分含量不小于5%,最多不大于35%。高熵合金具有高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应四大效应,在各种效应的作用下,高熵合金通常拥有很多良好的性能,如高强度、高硬度、高耐蚀性和高耐磨性等。因此开发设计新型高熵合金,具有极高的科学理论研究意义和工程实际应用价值。  目前高熵合金的研究工作多集中于相组成、性能和成分设计方面,甚少对其塑性变形机理进行研究。因此本论文自主研发Ni-Ti-Fe-Al-Cu系列合金,通过改变镍钛元素的含量,制备出新型高熵合金和镍钛基合金。通过多种实验手段,对其微观结构、力学性能和高温塑性变形机理进行分析研究。  NixTixFe100/3-2x/3Al100/3-2x/3Cu100/3-2x/3系合金(采用Ni20、Ni26、Ni32、Ni35、Ni41、Ni47表示x=20、26、32、35、41、47时的合金)中的高熵合金显微组织形貌均为树枝晶组织,组成元素在枝晶与枝晶间有偏析,分布不均匀;镍钛基合金均为等轴晶组织,各元素大体上分布比较均匀。高熵合金由简单的固溶体结构相组成,Ni20合金由面心立方和体心立方相构成,镍钛元素含量增加时,体心立方相会逐渐增多取代面心立方相,Ni35合金中只含有体心立方相。Ni41镍钛基合金基体为Fe0.2Ni4.8Ti5相,析出相为NiTi、AlTi3和Cu2Ti,Ni47镍钛基合金基体为NiTi相,析出相为Fe0.2Ni4.8Ti5和AlCu2Ti。  在应变速率为1×10-3/s条件下进行室温压缩时,高熵合金中Ni26合金抗压强度最高为1385MPa, Ni20合金塑性最好,最大压缩应变可达10.23%;镍钛基合金中Ni41合金抗压强度最高为2023 MPa,Ni47合金的最大压缩应变值最大可达35.77%;合金都表现为脆性断裂,部分压缩断口形貌中可观察到河流状花样,具有解理断裂特征。在应变速率为1×10-3/s条件下进行高温压缩时(压缩温度分别为850℃和1000℃),Ni20合金表现出了最大压缩应变量,可达50%,因而其高温塑性最好。  基于高温位错滑移理论、第二相沉淀析出相关理论以及Ni20合金高温变形实验结果,获得了高熵合金高温塑性变形机理。在高温压应力作用下,滑移系开动和激活,位错沿一定滑移面和滑移方向运动,随着变形的增加,位错密度不断上升,位错相互缠结和塞积,产生位错强化作用,同时固有析出物颗粒产生第二相强化作用,表现为流动应力的增加;随着变形的继续增加,当位错密度达到一个临界值时,位错密度较高的区域会累积较高的能量,可以提供足够变形储能诱导析出新的第二相,这将会使位错密度下降,同时塞积在固有第二相处的位错会切过和攀移越过第二相,滑移运动继续进行,最终位错增殖与位错湮没动态平衡,进入稳态变形阶段。
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