C/Mo元素合金化Fe50Mn30Co10Cr10系高熵合金TWIP/TRIP效应研究

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多主元高熵合金(HEAs)与传统的二元合金不同,它由五种及以上元素组成,呈现出简单固溶体结构,同时具备晶格畸变、原子迟滞扩散及组织高稳定性等特征。作为一种新型合金,多种独特性能使其综合性能明显优于传统合金。因而,高熵合金具备很高的应用及学术研究价值。本课题旨对C合金化Fe50Mn30Co10Cr10系高熵合金以及Mo合金化(Fe50Mn30Co10Cr10)100-xCx系高熵合金的组织及力学性能进行系统研究,并分别探讨小尺寸碳原子和大尺寸钼原子固溶高熵合金变形机理和TWIP/TRIP(孪晶诱导塑性/相变诱导塑性)效应。以提高合金强度和塑性为目的,利用Fe50Mn30Co10Cr10系高熵合金TRIP/TWIP效应,优化合金化间隙C原子和置换Mo原子的不同含量,改变材料制备过程中的冷却速率来提高材料的综合力学性能,并采用轧制及热处理等方法细化微观组织。用EBSD,SEM,TEM等表征分析来研究微观变形机理及形变过程当中的TWIP/TRIP机制。结果表明,铸态(Fe50Mn30Co10Cr10)100-xCx高熵合金中,随着间隙碳原子的增加,相结构由FCC(面心立方结构)和HCP(密排六方结构)双相逐步转变为FCC单相,在x≥2时组织相结构完全为FCC相。(Fe50Mn30Co10Cr10)100-xCx高熵合金在加入C之后的变形机理发生TRIP到TWIP转变,尤其C2合金断后延伸率几乎是C0合金的3倍。当x>4时,片状纳米碳化物(M23C6)于晶界处生成,碳含量越高M23C6体积分数越大。C2Mo1合金化的(Fe50Mn30Co10Cr10)100-x-yCxMoy高熵合金为单一FCC结构固溶体,其塑性延伸率大幅提高至84.22%。增大凝固时冷却速率,C2Mo1合金化高熵合金微观组织致密且细小,屈服强度,抗拉强度和延伸率分别为357.86MPa、712.29MPa及94.81%。这主要是由于变形过程中诱发TWIP效应,不断增加的孪晶和相界密度引起了动态的细化效应。C2Mo1合金化高熵合金70%冷轧1000℃退火5min时,总伸长率(EL)为121.6%,抗拉强度(UTS)为816.051MPa,强塑积(UTS×EL)高至99.23GPa%。塑性变形时,晶界强化、位错强化、层错强化及退火和变形孪晶强化多种机制共同作用。在拉伸变形过程中形成<001>+<100>//TD双织构组分且位错滑移和孪生机制相互竞争,共同影响塑性变形过程中的微观组织演化,而当应变量超过60%,孪生机制成为主要的变形机制。
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