1、合金元素Mo对高熵合金材料力学性能的影响规律摘要: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。 本论文选取AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八种常用的金属元素，通过改变Mo的摩尔含量研究该系列合金的力学性能及其变化规律。采用真空电弧炉熔炼合金，再对合金铸态与退火态的硬度与耐磨性能进行测试研究。关键词：高熵合金,硬度,耐磨性 Effect of alloy elements on
2、mechanical properties of Mo high entropy alloy Abstract: 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 fr
3、amework,develop a new 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 paper picks AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si eight commonly used metals，bych
4、anging the molar concentration of Mo in the series to study alloy microstructure and properties.Using vacuum arc furnace melting alloy,Alloy cast and annealed State of study on hardness and wear resistance test.Keyword：high entropy alloys,hardness,wear hardness目录 1 绪论11.1概述11.2选题背景、研究的目的和意义11.3本课题研究
5、主要内容32 文献综述52.1多主元高熵合金的定义52.1.1固溶体混合熵62.1.2 高熵合金的界定72.2高熵合金的特点及性能82.3多主元效应112.3.1高熵效应112.3.2 晶格畸变效应112.3.3缓慢扩散效应122.3.4鸡尾酒效应132.4高熵合金的应用领域143.实验用材料的选择及试样的制备183.1试验用合金成分的选择183.2试样的制备194 多主元合金力学性能分析234.1维氏硬度试验234.1.1仪器简介234.1.2实验原理234.1.3试验操作步骤244.1.4实验注意事项254.1.5实验内容254.1.6实验分析结果294.2摩擦磨损试验294.2.1试验机
6、机构介绍294.2.2试验机的工作条件304.2.3实验原理304.2.4实验步骤314.2.5实验内容314.2.6实验分析结果365.结论37参考文献38致谢 40IV1 绪论1.1概述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晶，从而起到固溶强化、沉淀强化和弥
7、散强化效果，使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。髙熵合金在晶体结构及各种性质上和传统合金有极大的差异，主要包括一下几个方面：不但能形成简单的BCC和FCC结构甚至易产生纳米相和无序的非晶相；具有良好的热稳定性；极高的硬度、温室强度和良好的塑性变形能力;优越的耐腐蚀和耐磨性能。一般来说，传统概念的固溶体特性是具有较好的塑性变形能力，但硬度和强度较低，通常只能作为基体相。而基于多主元构成髙熵合金形成的固溶体有着较高的强度和硬度，甚至高于非晶合金的强度，同时还具有良好的热稳定性和耐磨耐蚀特性，为新型结构材料的设计提供了丰富的空间。髙熵合金的性能比传统合金具有较大的优越性，但髙熵合金的元素种类不同
8、，其力学性能，微观组织结构也会有所变化，故研究髙熵合金具体元素的特性也是很有必要，本文就以AlCrCoFeNiMoTiSi为例，研究Mo元素的有无对此髙熵合金力学性能所产生的影响。1.2选题背景、研究的目的和意义几千年来，合金的发展都是以一种金属元素为主的(一般都超过50%)，随着添加各种不同的合金元素而产生不同的合金，以满足所需的性能要求，例如以铝为主的铝合金，以铁为主的钢铁材料，以铜为主的铜合金，以镍为主的高温合金，以钛为主的钛合金等等。尽管如此，合金系的数量还是很有限的，目前人类已开发使用的合金系共有30余种。 自从1970年以来，金属基复合材料及金属间化合物得到广泛的关注的同时，新的制
9、造加工工艺也随之出现并得到广泛应用，例如快速凝固技术和机械合金化等等。于是，研究员们利用这些新的制造加工工艺又开发出新的高性能合金，这些合金具有纳米级晶体结构尺寸，而且固溶度极大，有的甚至含有非晶体相。在最近的二十年里，很多学者致力于开发大量大块非晶合金，例如Pd基、Zr基、Fe基、Ni基和Mg基大块非晶合金系等。但是，这些大块非晶合金也都是以一种元素为主的合金因此，到目前为止，传统的合金配方仍不脱离以一种金属元素为主的观念，人类依此观念配制不同合金，采用不同的制造加工工艺，进而应用到不同的地方，都是在这个框架下发展及改善的。而且，根据传统合金的发展经验可知，虽然可以通过添加特定的少量合金元素
10、来改善合金的性能，但合金元素种类过多会导致很多化合物尤其是金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆。此外，也给材料的组织和成分分析带来很大的困难，因此合金元素的种类应该越少越好。正因为如此，我们所开发的合金系种类很有限，传统合金的发展空间变得越来越小了。在1996年，中国台湾的国立清华大学就有学者率先跳出了传统合金的发展框架，提出新的合金设计理念，即高熵合金。 近几十年来合金领域里的三大突破：就是用多种金属元素配制成大块非晶合金、多功能的超弹塑性合金以及纳米结构的高熵合金2。高熵合金作为其中之一，目前还是一片处女地，但这是一个具有学术研究及工业发展潜力的丰富宝藏，可以开发出大量的高技
11、术材料，而且可以用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜。除了上述几种传统的制作加工方法外，高熵合金还可通过快速凝固、机械合金化获得，利用这两种方法获得的高熵合金，其组织更倾向于形成纳米晶体，甚至非晶体。高熵合金的组织特点决定了它具有以下几种特性：高的硬度；良好的耐腐蚀性；良好的耐磨性；较高的耐温性；高加工硬化。因此，就实用性而言，若无法找到功能合适的传统合金，高熵合金也许可以适用。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及高科技产业的发展也将为高熵合金开辟无限发挥的空间，对传统冶金的钢铁行业的提
12、升无疑具有重要意义。 高熵合金是一个全新的合金领域，它跳出了传统合金的设计框架，是具有许多优异性能的、特殊合金系，调整其成分可以进一步优化性能，因而具有极为广阔的应用前景。国内有关高熵合金的研究才刚刚起步，虽然有不少研究者开始关注此类合金的研究，但相关数据尚属实验室阶段，未真正进入实际应用阶段。若某一具体的高熵合金能够获得稳定、可靠、具有工业参考价值的实验数据，将真正、快速地推动高熵合金的研究和应用，在工业应用的各个领域将能看见高熵合金的身影。传统合金的发展经验认为，组成合金的金属元素多了之后，会形成诸多结构复杂的脆性金属间化合物，恶化合金性能。然而近年来，研究者们发现，将5种或5种以上的金属
13、元素按等摩尔比或近等摩尔比混合在一起，不区分主要元素，熔炼得到的合金具有显微结构简化、不倾向于出现金属间化合物、具有纳米析出物与非晶质结构等结构特征，具有高强度、高硬度、耐回火软化、耐磨等性能特性。现有传统合金还没有哪种合金可以同时具备以上优异性能，因此，高熵合金具有极为广阔的应用前景，可大幅度应用于制作高强度、耐高温、耐腐蚀的刀具、模具及机件，是切入高功能、高附加值特殊合金材料领域的良好契机。高熵合金的性能比传统合金具有较大优越性，但其微观组织和性能机理有待研究。开展这方面的工作，对于开发新型高熵合金材料，促进高熵合金在工业上的应用，具有十分重要的经济价值和社会价值。1.3本课题研究主要内容
14、高熵合金的研究还是一块处女地，无论理论研究还是实验研究结果都非常少。人们对这一合金化过程的机理以及其中涉及到的诸多科学问题基本还没有认识。现在出现的一些高熵合金体系也只是通过所谓的鸡尾酒式的方法调配而成，还没有建立科学选择合金元素的理论。另外，对高熵合金凝固后的组织结构以及各方面的性能比如力学性能、耐高温和耐磨性能、电学和磁学性能以及其它一些物理系性能，都还没有清晰的认识。尽管如此，我们还是只能尝试，不断地尝试，并从失败的实验中总结出规律。 本文主要研究Ti、Si元素含量对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
15、度为99.5%以上，按摩尔比为1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金，用真空电弧炉熔铸AlCrCoFeNiMoTiSi 髙熵合金。研究合金铸态与退火态的力学性能，以及Mo元素的有无对八元合金的力学性能的影响，主要包括常温与退火态材料的硬度、耐磨性。主要做以下几方面的工作：选择日常使用的金属材料，通过控制Mo元素的有无，研究其对合金力学性能的影响，比较不同配方的 髙熵合金的力学性能，分析它们的力学性能优劣。研究热处理对高熵合金材料力学性能的影响。利用维氏硬度计测试合金的硬度；通过磨损试验测量合金的耐磨损性能。通过以上实验数据，分析合金的力学性能和Mo元素的有无对合金力学性能的影响以及热处理对高熵合金材料力学性能的影响。 2 文献综述2.1多主元高熵合金的定义一直以来我们所熟悉的各种合金系统，几乎以一个主要元素为主，再添加若干次要元素以改进其性质。例如钢以铁为主元素，Al 合金以Al为主元素。但毕竟周期表中的常见元素数量有限，以传统的限制，以致常用的合金系统约30 种而已。如果我们不受传统方式的拘束以更多种元素同时作为主要元素，例如以Al、Co、Cr、Cu、Ni 五种元素等莫耳混成合金，同综合果汁一样，结果又会如何呢
