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哈工大陈瑞润团队《Acta》高熵合金的相形成机理和力学性能!

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材料学网 2021-02-25 20:49

导读:本文报道了Cr7Mn25Co9Ni23Cu36(原子百分比)高熵合金热处理后的相分解以及二次相的形成对其拉伸力学响应的影响。显微组织分析表明,在800°C / 2h和600°C / 8h的热处理导致形成sigma相,但是在600°C及以下的温度下进行2h热处理未观察到sigma相。将实验观察到的热稳定性和相与计算出的相图进行比较,并通过求助于热力学和动力学进行合理化。从头算计算讨论了相分解的机理,分解成两个固溶相比单一固溶相在能量上更有利。
对于金属结构材料,实现强度和延展性的良好结合是重要的目标 。达到此目标的常用方法包括优化合金成分和加工路线。对可以承受恶劣工作环境的更好的结构材料的需求,促使冶金学家探索性能优良的新合金。多主合金或高熵合金(HEA)的发现拓宽了合金设计领域,是材料领域的重要突破。
为了开发具有良好性能的HEA,已经使用了许多方法如锻造,高压合成,热处理,等离子体激光制备和电弧熔化。热处理是一种改善合金机械性能的简单,有效且廉价的方法。近年来,研究学者针对热处理对某些HEA的微观结构和力学性能的影响进行了一些研究。结果表明,当温度从0升高到1000°C时,没有发生相分离,表明在宽温度范围内高熵合金具有良好的相稳定性。
在此,哈工大陈瑞润教授团队通过电弧熔化设计和制备了Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 高熵合金 。这种具有初级FCC相的HEA在铸态条件下在室温下具有很好的强度和延展性(屈服强度为401MPa,极限抗拉强度为700MPa,断裂伸长率为36%)。作者研究了200 ~ 1000℃热处理对Cr7Mn25Co9Ni23Cu36高温合金组织和室温力学性能的影响。将实验结果与热力学计算结果进行了比较。利用计算相图(CALPHAD)法测定的吉布斯生成能,分析了sigma相和FCC相的稳定性。成功利用从头计算方法讨论了高温下的相分解机理。相关研究成果以题“Experimental and theoretical investigations on the phase stability and mechanical properties of Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 high-entropy alloy”发表在金属顶刊Acta Materialia上。
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116763

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图1(af)显示了处于铸造状态并在200、400、600、800和1000°C热处理后的Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 HEA的显微组织。在铸造状态下以及在200、400和600°C热处理后,观察到两个FCC固溶体相。相反,在800°C的热处理导致形成新相,如图1 d中的白点所示。通过TEM和EDS研究了该相的晶体结构和元素分布(图2)。新相被鉴定为具有四方结构的富Cr的σ相。σ相仅在800°C热处理的样品中观察到。当样品在1000°C下热处理时,σ相消失,如图1(f)所示形成Cu偏析区。

图1。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA显微组织的SEM图像。(a)处于铸态,(bf)在200、400、600和800、1000°C的温度下进行2h热处理后。
图2。在800°C热处理2h后,Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中的TEM图像,电子衍射斑和元素分布。(a)TEM图像,(b)电子衍射点,(c)HAADF图像,以及(dh)sigma和FCC 2相的元素分布。
图3。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的平衡相摩尔分数与温度的关系。

SEM和TEM图像显示,当Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在800°C热处理2h时,形成了富含Cr和Co的σ相,这与CALPHAD的预测非常吻合。在低于或等于600°C的温度下进行热处理的样品中未观察到σ相,但由CALPHAD预测。这种差异归因于动力学原因,这是由于合金的微观结构变化以及在600°C下延长的热处理时间所证实的。

图4。通过EDS获得的铸造状态下Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中的FCC_1和FCC_2相组成(原子%)。
图5。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA显微组织的SEM图像。(af)在600°C下进行4h,6h,8h,10h,12h热处理后。
图6。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在顺磁(PM)和亚铁磁(FM)状态下的FCC,BCC和HCP结构的计算出的总能量。在所有情况下,总能量都是相对于FCC-FM的能量给出的。
图7为各种温度下热处理之后的Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的拉伸机械性能。与铸态值相比,在200°C进行的热处理可以有效地保持强度和断裂伸长率。热处理温度从200℃提高到600℃,屈服强度和抗拉强度从401℃提高到581 MPa,从700℃提高到829 MPa,同时,伸长率从35%降低到22%。这些变化归因于将热处理温度提高到600°C时纳米沉淀的细化。
图7。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在铸态和不同温度下热处理后的拉伸力学行为(a)。拉伸工程应力-应变曲线(b)。极限抗拉强度,屈服强度和断裂伸长率。

图8的TEM显微照片a和b证实了在600°C / 2h热处理状态(〜3.5nm)之后该合金中纳米沉淀的尺寸小于铸态(〜4.5nm)。由于屈服和极限抗拉强度分别下降至303 MPa和530 MPa,延展性降低至断裂应变的15%,800°C热处理导致断裂韧性下降如图1 d所示。强度的显著降低是由于形成的σ析出物分布不均,尺寸没有明显变化(高达几百纳米)。总之,σ相的形成对Cr 7 Mn25Co9Ni23Cu36HEA的拉伸机械性能有害。当样品在1000°C(刚好低于合金的熔点)进行热处理时,屈服强度和极限抗拉强度均下降,这归因于如图1f所示的Cu偏析区的形成。

EMTO-CPA的计算结果表明,与在低温和高温下均具有标称成分的合金相比,在能量上更优选分解系统(FCC_1和FCC_2)。

σ相的形成对Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的拉伸机械性能有害。

图8。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中纳米沉淀的形貌。(a)通过TEM观察的铸造状态下的纳米析出物的形态。(b)通过TEM在600℃/ 2h热处理条件下纳米沉淀的形貌。

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