Al0.1CoCrFeNiTiX高熵合金的应变率和温度力学性能研究

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本研究采用真空电弧熔炼炉制备了Al0.1CoCrFeNiTix(X=0.1,0.3,0.5)高熵合金,通过Instron5969万能试验机和霍普金森压杆系统研究了应变率对合金室温力学性能、微观组织和变形机制的影响。通过冷轧和退火优化了Al0.1CoCrFeNiTi0.1高熵合金的组织和性能,并使用Instron5969万能试验机测量了该合金在室温和低温下的准静态拉伸力学性能,以及使用分离式霍普金森拉杆系统研究了应变率对合金动态室温拉伸力学性能的影响。通过分析变形前后合金的微观组织演化,得到了如下结论:(1)通过均匀化退火获得了粗晶的单相FCC结构Al0.1CoCrFeNiTi0.1、Al0.1CoCrFeNiTi0.3和FCC+σ相Al0.1CoCrFeNiTi0.5高熵合金。宽泛应变率(10-4 s-1~6200s-1)下的室温压缩试验结果显示,合金的屈服强度、加工硬化率和真实应力均随着应变率和Ti含量的增加明显提升。动态加载下合金高的应变率敏感性归因于声子拖曳引起的粘性效应和严重的晶格畸变。TEM分析表明在准静态室温压缩下,位错运动和孪晶是主要的变形机制,塑性变形初期以位错滑移为主,随后的变形阶段受位错亚结构和变形孪晶控制;而在动态加载下,动态晶粒细化产生纳米晶以及纳米晶和纳米孪晶复合结构是主要的微观组织特征。(2)通过不同热机械处理工艺获得了具有不同退火组织的Al0.1CoCrFeNiTi0.1高熵合金。室温准静态拉伸结果表明,相较于900℃退火后合金,800℃退火后异质结构合金的屈服强度和加工硬化能力显著提升。除了细晶强化贡献之外,异质结构中未完全再结晶细晶区域拥有高密度的位错,通过阻碍位错的运动来提高合金的强度和加工硬化能力,而完全再结晶区域的等轴晶粒为合金提供了良好的塑性变形能力。相较于室温(298K)拉伸,800℃/2h退火后的合金在低温(77K)下屈服强度、最大抗拉强度以及断裂应变分别由381MPa提升至563MPa、732MPa提升至953MPa、43%提升至61%。合金变形后EBSD分析结果表明,在298K时,断后样品中晶粒取向以[001]//TD和[111]//TD为主,占据主导的塑性变形机制是位错滑移,而在77K条件下,变形后的晶粒以[111]//TD取向为主,高体积分数的孪晶和高密度位错主导了变形过程。(3)采用分离式霍普金森拉杆系统对Al0.1CoCrFeNiTi0.1高熵合金进行宽泛应变率(1200 s-1~3000 s-1)室温动态拉伸试验,结果表明合金在动态加载下强度和塑性同时获得了显著的提升。此外,在3000/s的应变速率下,合金的屈服强度、最大抗拉强度以及工程断裂应变分别提高至590MPa,超过1.2GPa以及63%。通过EBSD分析可知,与准静态拉伸试验相比,动态下强度、延展性和加工硬化能力的提高是由于应变率强化效应。随着应变速率的增加,合金内部的位错密度和迁移速度逐渐增加,导致晶粒内部的局部应力集中更强,并达到孪晶临界剪切应力,从而进一步诱发变形孪晶的形核和长大。
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