应变率与应力状态对CoCrFeNi高熵合金力学性能与织构特征的影响

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高熵合金不同于传统合金,其新颖的设计理念赋予了材料科学新的发展方向以及很好的发展前景。随着材料技术的发展,高熵合金的范围逐渐扩大。最初定义高熵合金是由至少五种元素按照等原子比或近似等原子比组成,之后逐渐出现了三元、四元以及非等原子比高熵合金。目前虽然对于高熵合金的定义还没有一个定性的结论,但其从构型熵或者混合熵的角度来设计新型合金的这种突破性理念已引起大多数学者的重视和兴趣。在日常生活中,金属部件往往具有不规则的形状,在其服役过程中需要考虑多向应力状态的影响。因此,研究材料在复合应力状态下的力学响应一直是各国学者关注的重点。目前关于高熵合金材料在复合应力下的损伤和断裂机理的理论研究还不够完善。因此,本文以CoCrFeNi高熵合金为研究对象,系统地研究了该合金在准静态及动态剪切-拉伸复合应力状态下的力学响应与织构演化。并基于耦合损伤的晶体塑性本构模型,分析了CoCrFeNi高熵合金在剪切-拉伸变形下的损伤分布以及不同变形阶段的织构特征。主要研究内容如下:(1)通过电弧熔炼、冷轧以及退火处理,制备了CoCrFeNi单相FCC高熵合金。通过设计五种不同缺口角度的特殊拉伸试样(STS-40、STS-45、STS-60、STS-70、STS-80),实现了剪切-拉伸复合应力状态,并测试了该合金在准静态及动态剪切-拉伸复合应力状态下的宏观力学响应。通过缺口强度比(NSR)的计算,定量比较了不同应力状态对合金性能以及缺口强化效应的影响。结果表明:合金在所有缺口角度的剪切-拉伸变形下均表现出明显的缺口强化效应,且合金的NSR随着缺口角度的减小而逐渐增大,即剪切应力分量与缺口强度比呈正相关关系。在小角度剪切-拉伸变形下,合金表现出更优异的拉伸强度与延伸率。(2)借助电子背散射衍射(EBSD)技术与取向分布函数图(ODF)表征了CoCrFeNi高熵合金在不同应力状态下的微观组织与织构特征,统计了多种典型织构的体积分数,分析了剪切-拉伸复合应力状态以及应变率对织构演化的影响。结果表明:滑移主导了CoCrFeNi高熵合金的准静态剪切-拉伸变形。而在动态剪切-拉伸变形中,发现了较为丰富的孪晶,且孪晶束面积分数随着剪切应力分量与应变率的增加而增加。此外,在准静态与动态剪切-拉伸变形后显示出相似的织构分布特征,且织构体积分数具有明显的应变率敏感性。(3)基于经典的晶体塑性理论框架,引入最大剪切应变损伤模型,研究了CoCrFeNi高熵合金在准静态剪切-拉伸复合应力状态下的损伤分布以及不同变形阶段的织构特征。结果表明:损伤起始位置的改变依赖应力状态的演化。有限元模拟结果很好的预测了CoCrFeNi高熵合金在准静态剪切-拉伸变形后的织构特征,证明了所构建的考虑损伤的晶体塑性模型可适用于CoCrFeNi高熵合金的准静态变形分析。
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