本文關(guān)鍵詞：基于短程序團(tuán)簇模型的Al-Ni-Co-Fe-Cr多主元固溶體合金成分設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能

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【摘要】：多主元固溶體合金,也稱高熵合金,是以多個(gè)元素(通常五元及以上)同為主元素的一類新型合金,由于組成元素為等摩爾或近等摩爾比例添加,使得合金的熱力學(xué)混合熵遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)合金,從而易于形成具有簡單結(jié)構(gòu)的固溶體相。為區(qū)別于傳統(tǒng)固溶體合金,將這類多個(gè)元素共同為基的合金統(tǒng)稱為多主元固溶體。這類合金具有特殊的性能,如高的強(qiáng)度和硬度、高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、以及優(yōu)異的耐磨、耐蝕和抗氧化性能等,有望發(fā)展成為適于極端環(huán)境中的新型高性能工程用合金材料,是目前研究的熱點(diǎn)。盡管等摩爾成分設(shè)計(jì)是獲取多主元固溶體的最簡單方法,但并非必要條件。研究表明,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能主要取決于元素間化學(xué)近程相互作用,但相關(guān)研究受到了短程序結(jié)構(gòu)模型缺失的制約,從而影響成分和性能優(yōu)化。近年來,我們發(fā)展出適于描述固溶體短程序結(jié)構(gòu)的“團(tuán)簇加連接原子”模型,揭示出優(yōu)質(zhì)固溶體合金具有穩(wěn)定的局域結(jié)構(gòu)單元,即特定的第一近鄰團(tuán)簇和次近鄰連接原子。從而給出團(tuán)簇成分式,為[團(tuán)簇](連接原子)x,其中x為連接原子的個(gè)數(shù)；在體心立方BCC結(jié)構(gòu)中,最近鄰團(tuán)簇為配位數(shù)CN14的多面體。因此,本工作以Al-Ni-Co-Fe-Cr五主元合金為研究對象,根據(jù)“團(tuán)簇加連接原子”結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行成分設(shè)計(jì)。為研究Al含量變化對合金結(jié)構(gòu)的影響,設(shè)計(jì)成分式Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x((系列R1),并確定基礎(chǔ)團(tuán)簇成分式[Al-(Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]Al1;在此基礎(chǔ)上改變過渡金屬元素N、Co、Fe和Cr的比例,得到[Al-(Ni1/(1+x+y+z)Cox/(1+x+y+z)Fey/(1+x+y+z)Crz/(1+x+y+z))14]Al1(：系列R2)和[Al-(Nix/(1+x)Co1/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1(系列R3)合金,并對其進(jìn)行系列微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能測試,以期獲得到高性能多主元合金,并探索團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型在多主元固溶體合金中的適用性。在高純氬氣的保護(hù)下,采用電弧熔煉和銅模吸鑄快冷技術(shù)制備Φ6mm合金樣品,采用X射線衍射、光學(xué)顯微觀察、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電子探針等手段鑒別合金微觀結(jié)構(gòu)和組織形貌,利用維氏硬度儀、MTS萬能試驗(yàn)機(jī)測試合金的力學(xué)性能。主要結(jié)論如下：(1)對系列R1合金Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x研究結(jié)果表明,吸鑄態(tài)系列合金的結(jié)構(gòu)隨Al含量x增加發(fā)生變化：Al含量x≤1.5時(shí),合金表現(xiàn)為單一面心立方FCC結(jié)構(gòu),當(dāng)x≥2.5,合金表現(xiàn)為BCC結(jié)構(gòu),當(dāng)1.5x2.5,合金為(FCC+BCC)雙相結(jié)構(gòu)。其中,團(tuán)簇成分式合金[Al-(Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4)14]Al1 (Al12.5Ni21.875Co21.875Fe21.875Cr21.875 at.%)位于FCC固溶體形成的上限處,其組織主體表現(xiàn)為FCC的樹枝晶,晶間區(qū)域?yàn)樯倭緽CC相。表明選取團(tuán)簇成分式[Al-M14]Al1(M=Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4)作為基礎(chǔ)團(tuán)簇式是合理的：(2)在系列R2合金[Al-M14]Al1(M=Ni,Co,Fe,Cr)中,改變過渡金屬元素M的之間的比例,系列合金的結(jié)構(gòu)也會發(fā)生改變,即隨合金價(jià)電子濃度VEC增加,合金逐漸從(BCC/B2)→(BCC+FCC)雙相→單一FCC固溶體轉(zhuǎn)變。力學(xué)性能結(jié)果表明BCC/B2結(jié)構(gòu)的[Al-(Ni1/5Co1/5Fe1/5Cr2/5)14]Al1 (Al12.5Nil7.5Co17.5Fe17.5Cr35 at.%)合金具有最高的維氏硬度和壓縮屈服強(qiáng)度,分別為HV=626, σy=1791MPa; FCC合金[Al-(Ni4Co4Fe3Cr3)]Al1 (Al12.5Ni25Co25Fe18.75Cr18.75 at.%)表現(xiàn)出良好的拉伸塑性,抗拉強(qiáng)度σb=774MPa,斷裂伸長率δ=35.6%。(3)在系列R3[Al-(Nix/(1+x)Co1/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1中,固定Ni+Co=8和Fe+Cr=6不變,但改變Ni/Co和Fe/Cr含量,以研究系列合金結(jié)構(gòu)與性能的變化。研究表明,相比于系列R1和R2,在VEC相近條件下,該系列合金表現(xiàn)出更高的壓縮屈服強(qiáng)度,表明過渡金屬元素Ni、co、Fe和Cr對多主元合金的結(jié)構(gòu)和性能作用不完全相同,應(yīng)將其分開考慮。(4)根據(jù)系列Rl Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x、 R2 [Al-(Ni1/(1+x+y+z)Cox/(1+x+y+z)Fey/(1+x+y+z)Crz/(1+x+y+z))14]Al1和R3 [Al-(Nix/(1+x)Col/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1,可以看出,多主元固溶體合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于合金價(jià)電子濃度VEC,其性能亦隨結(jié)構(gòu)變化而發(fā)生變化。當(dāng)VEC≤7.61時(shí),合金表現(xiàn)為FCC結(jié)構(gòu),屈服強(qiáng)度范圍約為318MPa-520MPa;當(dāng)7.46VEC7.61,合金為(BCC+FCC)雙相結(jié)構(gòu),合金強(qiáng)度提高,屈服強(qiáng)度介于607MPa-1100MPa;當(dāng)VEC≤7.46時(shí),合金結(jié)構(gòu)為BCC/B2,具有更高的強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度約1340MPa-1791MPa。
【關(guān)鍵詞】：多主元固溶體合金 團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型 成分設(shè)計(jì) 價(jià)電子濃度 力學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.21
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 引言10-11
• 1 綜述11-26
• 1.1 多主元固溶體合金的背景及概念11-12
• 1.2 多主元合金的特殊效應(yīng)12-16
• 1.2.1 高熵效應(yīng)12-13
• 1.2.2 嚴(yán)重的晶格畸變效應(yīng)13-14
• 1.2.3 遲緩擴(kuò)散效應(yīng)14-15
• 1.2.4 雞尾酒效應(yīng)15-16
• 1.3 多主元合金的微結(jié)構(gòu)16-20
• 1.4 多主元合金的性能20-24
• 1.5 多主元合金中元素的作用24
• 1.6 價(jià)電子濃度對多主元合金結(jié)構(gòu)的影響24-25
• 1.7 多主元合金的發(fā)展和應(yīng)用前景25-26
• 2 基于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型的合金設(shè)計(jì)方法26-33
• 2.1 基于團(tuán)族結(jié)構(gòu)模型的合金設(shè)計(jì)方法26-29
• 2.2 Al-Ni-Co-Fe-Cr五主元固溶體合金的團(tuán)簇模型與成分設(shè)計(jì)29-33
• 3 實(shí)驗(yàn)方法33-36
• 3.1 合金制備33-34
• 3.2 分析方法34-36
• 3.2.1 X射線衍射分析34
• 3.2.2 光學(xué)顯微組織分析34
• 3.2.3 掃描電子顯微分析34
• 3.2.4 透射電子顯微分析34-35
• 3.2.5 力學(xué)性能測試35
• 3.2.6 EPMA電子探針分析35-36
• 4 Al_x[Ni_(1/4)Co_(1/4)Fe_(1/4)Cr_(1/4)]_(16-x)系列合金(R1)成分設(shè)計(jì)與性能研究36-44
• 4.1 本章小結(jié)42-44
• 5 [Al-(Ni_xCo_yFe_aCr_b)_(14)]Al_1非等摩爾比合金成分設(shè)計(jì)與性能研究44-69
• 5.1 [Al-(Ni_(1/(1+xy+z))Co_(x/(1+x+y+z))Fe_(y/(1+x+y+z))Cr_(z/(1+x+y+z)))_(14)]Al_1系列合金(R2)成分設(shè)計(jì)和性能研究44-56
• 5.2 [Al-(Ni_(x/(1+x))Co_(1/(1+x))_8(Fe_(y/(1+y))Cr_(1/1+y))_6]Al_1系列合金(R3)成分設(shè)計(jì)和性能研究56-61
• 5.3 價(jià)電子濃度VEC對系列合金結(jié)構(gòu)和性能的影響61-68
• 5.4 本章小結(jié)68-69
• 結(jié)論69-71
• 參考文獻(xiàn)71-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況77-78
• 致謝78-79

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 ;Effect of Co element on microstructure and mechanical properties of FeCo_x NiCuAl alloys[J];Acta Metallurgica Sinica(English Letters);2012年02期

，

本文編號：1040829