【摘 要】
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高熵合金及其衍生物中熵合金具有诸多优异理化及力学性能,且合金设计理念独特,近十几年来倍受国内外研究者广泛关注。由于优异的强度和塑性匹配、高硬度、耐磨性以及良好的耐腐蚀性能,中/高熵合金被认为是具有优异综合性能的理想结构材料。为了实现中熵合金性能-收益最大化,有必要优化调整元素配比,开发加工工艺,调控微观组织提升材料强韧性等综合力学性能,从而能够使其在航空航天、核工业等高科技领域中得到工程化应用。冷
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高熵合金及其衍生物中熵合金具有诸多优异理化及力学性能,且合金设计理念独特,近十几年来倍受国内外研究者广泛关注。由于优异的强度和塑性匹配、高硬度、耐磨性以及良好的耐腐蚀性能,中/高熵合金被认为是具有优异综合性能的理想结构材料。为了实现中熵合金性能-收益最大化,有必要优化调整元素配比,开发加工工艺,调控微观组织提升材料强韧性等综合力学性能,从而能够使其在航空航天、核工业等高科技领域中得到工程化应用。冷塑性变形被认为是提升金属材料力学性能的重要方法,但塑性变形提升强度硬度的同时往往会引入大量位错、孪晶、晶界等晶体缺陷而降低材料塑性。扭转变形作为一种塑性变形方式,可以向金属材料内部引入梯度分布的晶体缺陷(包括梯度位错、梯度孪晶等)从而制备大体积“外强内塑”的梯度材料,能够克服金属材料“强度-塑性”不匹配的难题,同时提升材料的强度和塑性,近年来受到广泛关注。目前,扭转变形对中熵合金的强化作用以及强化机理尚不明确,扭转时温度对其组织和性能的影响也不清楚。为了澄清以上问题,本研究以含有大量退火孪晶的锻造态(CrCoNi)97Al1.5Ti1.5(原子百分比,下同)中熵合金棒为研究对象,分别在室温下制备了扭转360°(记为PT360)、720°(记为PT720)和扭断的试样以及在液氮温度下制备了扭转360°(记为PT360@LN)、720°(记为PT720@LN)和扭断的试样,系统研究了该合金在室温和液氮温度下扭转变形行为、微观组织特征以及扭转变形后的拉伸力学行为,得到的主要结论如下:室温扭转变形加工可以制备梯度中熵合金材料。研究表明,室温扭转过程中试样以位错滑移为主要变形方式。该过程沿着半径方向试样中引入了梯度尺寸晶粒、梯度位错和反梯度孪晶等微观结构;并且,随着扭转角度的增加,梯度现象更显著。同时,扭转后试样中孪晶含量下降和位错密度急剧增大的协同作用使得试样的显微硬度从心部到表层呈梯度增大分布。此外,由于扭转过程中位错含量的增加导致试样应变硬化能力下降,材料塑性略微降低,但由于梯度晶粒和梯度缺陷的引入,材料的强度大幅度上升;其中,扭转了360°的试样在延伸率下降25%的同时屈服强度提升了88%。对比室温和液氮温度下的扭转试样,发现液氮温度下扭转破断角度更小,但破断扭矩更大。结果表明,液氮温度扭转变形加工同样可以制备梯度中熵合金材料;且液氮温度下扭转720°时,试样虽然仍以位错滑移为主导,但有少量孪生现象存在。和室温相比,液氮温度扭转的样品表层晶粒旋转和细化更加明显,同时,晶粒中大角度晶界和孪晶界的相对含量也更高。也就是说,在液氮温度下的扭转更容易引入梯度结构。显微硬度实验表明,试样PT360@LN比试样PT360具有更显著的梯度分布;而拉伸实验表明,液氮温度下加工的扭转试样中含量更高的孪晶和位错使得材料的屈服强度有所提高。总体研究结果表明,在扭转过程中存在表层孪晶减少现象,并且随着变形量的增加,表层孪晶含量降低地越显著。分析认为,孪晶的减少与消失和Al和Ti的添加、孪生的临界切应力以及扭转变形的独特应变状态有关。扭转变形加工后,(CrCoNi)97Al1.5Ti1.5合金的显微硬度由内到外呈梯度分布,表层硬度显著高于内部,这与扭转变形导致的梯度晶体缺陷分布有关;扭转变形后,整体屈服强度显著提高,但塑性有所降低。
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