热处理工艺对高熵合金力学性能影响规律.doc

1、 热处理工艺对高熵合金力学性能影响规律摘要：多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而发展出一种全新的合金。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料. 本文选取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八种元素，采用真空电弧炉进行熔炼，采用维氏硬度试验，摩擦磨损试验探索热处理工艺对高熵合金力学性能影响规律.关键词：高熵合金，高熵效应，晶体结构Heat treatment process of high entropy alloy mechan

2、ical properties are studiedAbstract:Principal elements of highentropy alloys is only just emerging in recent years，which is a new type of material scienceIts biggest feature is the breakthrough of the traditional alloy that only one or two kinds of metal elements based design framework,develop a new

3、 alloy design conceptHigh-entropy alloys based on equimolar or nearly equimolar ratio five or more than five key elements，taking melting，sintering or other means to get a combination of the metallic materialThis article selects Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si of eight elements raw materials ,use vacuum arc

4、furnace smelting,vickers hardness test, friction and wear best do treatment on mechanical，properties of high entropy alloy are studiedKEY WORD：high entropy alloys,effect of high entropy,crystalline structure 第 页 共 页目录1 绪论11.1概述11.2选题背景、研究的目的及意义11.3本课题研究主要内容22 文献综述42.1 高熵合金的简介42.2多主元高熵合金的定义42.3 多主元效应

5、52.3.1 热力学上的高熵效应52.3.2 结构上的晶格畸变效应52.3.3 动力学上的迟滞扩散效应62.3.4 性能上的“鸡尾酒”效应62.4 高熵合金的制备方法72.4.1 电弧炉熔炼法72.4.2 高频感应炉加热熔炼82.4.3 激光熔覆技术82.4.4 其他熔炼方法82.5 高熵合金的性能及特点92.6 高熵合金的应用领域103实验方法及具体过程133.1试样的制备133.1.1高熵合金材料的制备133.1.2 金属材料的熔炼(电弧熔炼法)143.1.3 高熵合金热处理143.1.4试样的镶嵌143.1.5 试样的打磨153.2维氏硬度试验163.2.1仪器介绍163.2.2实验原理

6、163.2.3试验操作步骤173.2.4实验注意事项183.2.5实验内容183.2.6实验分析结果213.3摩擦磨损试验213.3.1试验机机构介绍213.3.2试验机的工作条件223.3.3实验原理223.3.4实验步骤233.3.5实验内容243.3.6实验分析结果27结论28参考文献29致谢31第 页 共 页1 绪论1.1概述合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。由于单个纯金属性能的局限性，合金正得到广泛的应用，几千年来，随着合金体系的发展，开发使用的合金系已达到三十余种。目前的合金系统大多是以单一组元为基础发展起来的，例如钢铁

7、材料和铝合金。20世纪50年代发展的二元基金属间化合物也是以12种金属为基础的合金。非晶合金作为一种新型的合金具有优良的特性和广泛的应用潜能，所以其制备、发展和应用都得到了普遍关注，但仍就是以12种金属为基础来发展起来的。 多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而发展出一种全新的合金。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。主要元素的增多使合金产生高熵效应，晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构，同时可能伴有晶间化合物生成，甚至在铸态就会析出纳米

8、晶，从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果，使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。1.2选题背景、研究的目的及意义 材料、信息、能源被称为现代科学技术的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。任何新的技术成就，莫不仰赖于各种相互匹配的新型材料，而新型材料中金属材料是其重要的一个方面，例如航空、航天工业所需的高温合金，核工业的核燃料、核反应堆材料，现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新型磁性材料等。由于这些新技术的发展又推动研制新的材料品种和发展新的冶金生产工艺和装备。由此可见，金属材料的开发和研究是科学技术的一个基本领域。多主元高熵合金是多种主要元素的合金，其中每种主要元素都具有较高

9、的原子百分比，但是每种元素的原子百分数不能超过35%，也就是说这种合金是由多种元素集体起作用而便显出其特性。为了区别于传统合金，且充分发挥多元素搞混乱度效应，高熵合金的主要元素数n5。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大。搞混和熵不但能够简化多主元高熵合金的显微结构，而且还能使显微结构纳米化甚至非晶化，这种与传统合金迥异的显微结构使高熵合金拥有独特的机械性能、物理性能和和化学性能，进而使得相比于趋于饱和的传统合金体系，高熵合金具有很大的应用潜力。传统合金的发展已经趋于饱和，突破以一种或者两种元素为主的传统发展框架已是冶金学家追求的一个目标。高熵合金就是在这样的背景下发展起来的

10、。但至今，对高熵合金无论是理论还是试验的研究都是非常少，人们对其合金化的机理以及其中涉及到的诸多科学问题基本上还没有什么认识。实际上，现在出现的一些高熵合金体系也只是通过“鸡尾酒”方法调配而成，还没有科学系统的选择合金元素的理论。另外对他们凝固后的组织形成以及各种物理化学性能都还没有清晰的认识。高熵合金的研究具有前瞻性，具有学术研究及应用价值。由于应用潜力多元化，面对的产业也多元化。因此传统合金工业的升级级高科技产业的发展也将为高熵合金开辟过阔的发展空间，对传统冶金和钢铁行业的提升具有重要意义。1.3本课题研究主要内容高熵合金的研究现在还处于初级阶段，无论是从理论上，还是从具体实验的设置及结果

11、上，所出的成果还是很少。人们对高熵合金的合金化过程机理及其中涉及到的诸多科学问题，基本上还没有很好的认识和解释。对于怎样选择合金的元素种类，也没有科学的依据可循。此外，对高熵合金凝固后的微观组织结构、相的成分与合金的机械性能、物理性能和化学性能之间的关系，也还没有找到其间的规律性。因此有待于开展这方面的研究工作，探索其组织和性能的形成机理及其影响规律。 本文主要采用具体途径，采用热处理工艺对AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的力学性能的影响。选取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，其纯度为99.5%以上，按摩尔比为1:1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金，用

12、真空电弧炉熔铸AlCrCoFeNiMoTiSi髙熵合金。研究合金铸态与退火态的力学性能，以及热处理工艺对八元合金的力学性能的影响，主要包括常温时材料的压缩强度、硬度、耐磨性。主要做以下几方面的工作：（1） 选择日常使用的金属材料，通过热处理工艺手段，研究其对合金力学性能的影响，比较不同热处理后的AlCrCoFeNiMoTiSi 髙熵合金的力学性能，分析它们的力学性能优劣。通过淬火时间上的变化来研究其对高熵合金力学性能的影响。（2） 利用洛氏硬度计测试高熵合金及其退火后的硬度；通过磨损试验测量高熵合金及其退火后的耐磨损性能。通过以上实验数据，分析热处理工艺对高熵合金力学性能的影响。2 文献综述2

13、.1 高熵合金的简介高熵合金的提出是基于20世纪90年代大块非晶合金的开发，人们都致力于寻找具有超高玻璃化形成能力的合金。有人认为非晶或玻璃的原子混乱度高或熵高，而高熵必然导致高的玻璃化形成能力，所以有人提出一个混乱理论。但是，后来有学者发现高熵和高的玻璃化形成能力并不一致，倒是发现有些高混合熵合金可以形成单相固溶体。对此，叶均蔚等认为这种固溶体是高混合熵稳定的固溶体，因此命名为高熵合金。至于为什么高混合熵合金玻璃化形成能力并不高，张勇等统计了大量的高混合熵合金，从原子尺寸差，混合焓和混合熵角度作了系统分析，并用Adam-Gibbs方程作出了解释。已有的研究报道发现，高熵合金具有一些传统合金所

14、无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。目前，高熵合金的研究多是集中在铸态下的性能测试，我们知道铸态下的产品有着天然的性能缺陷(如由于热胀冷缩造成的空洞、疏松等)，而对其热处理、热加工后的性能研究缺少有报道。有人曾预言，未来几十年内，最有发展潜力的三大研究热点是大块非晶、复合材料和高熵合金。2.2多主元高熵合金的定义多主元高熵合金由至少五种以上的主要元素构成，混合熵对于这类合金而言扮演了一个十分重要的角色。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大。根据Toltzmann关于熵变与系

15、统混乱度关系的假设，n种等摩尔元素混合形成固溶体时的熵变（配位熵）=，当、和时，分别为、和。如果考虑原子震动组态、电子组态、磁矩组态等的正贡献，系统的熵变还要大。传统合金以一种元素为主，其混合熵约小于每摩尔0.693R。为了于传统合金有明显的区别，且充分发挥多主元高乱度的的效应，一般定义高熵合金的主要元素数目n5。基于以上估算，如果将合金世界以混合熵来区分，传统合金属于低熵合金的范畴，中熵合金则介于低熵合金与高熵合金之间，次范畴主要是指主元素的个数为24。2.3 多主元效应高熵合金之所以微观结构上具有简单结构的固溶体，不倾向于出现金属间化合物，倾向于纳米化，甚至非晶；性能上，具有高的强度、硬度与加工硬化性，耐高温氧化与软化，具有良好的耐磨与耐蚀性，电阻率高等优于传统合金的特征，是因为这些结构与性能特性都源于高熵合金具有多主元效应，具体表现如下几个方面。2.3.1 热力学上的高熵效应 当合金由两种元素等原子比混合时其合金熔体的混合熵为069R，而由