高熵合金动态塑性流动行为的研究

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近年来,研究学者们开创了一种新的多组元近等原子比的合金成分设计方法,并制备了多种化学无序拓扑有序的高熵合金。高熵合金因其优异的物理特性和力学性能,在国防工程、能源、航天航空等领域展现出巨大的应用潜力。高熵合金在实际应用的服役环境下,往往需要面临冲击荷载的挑战。然而目前高熵合金在高应变率下和温度与应变率耦合加载条件下的力学行为,以及微介观变形机理还不清晰。为弥补相关研究的欠缺,本文改进了多种霍普金森拉杆动态试验技术,探索了一系列高熵合金的动态塑性流动行为。使用配备高速摄影的分离式霍普金森拉杆(SHTB)装置对CrMnFeCoNi高熵合金进行了动态拉伸测试。实时捕获样品表面的变形进程并分析其应变场分布。进行材料的多尺度微观结构和形貌表征,在样品上取不同应变量的区域进行电子背散射衍射(EBSD)实验并量化材料的位错密度和孪晶体积分数。揭示了该合金微结构的演化规律,并基于此建立了一个热粘塑性本构模型,阐明了 CrMnFeCoNi高熵合金应变率相关的硬化机理。改进了分离式霍普金森拉杆,拓展了单脉冲加载方法。对CrMnFeCoNi高熵合金样品进行了不同脉宽、相同幅值的单脉冲低温动态拉伸加载,并开展准静态低温拉伸变形中断实验。对所有收集的样品进行EBSD实验,定量表征和分析材料的微观结构演变。基于前文的本构模型,讨论揭示了 CrMnFeCoNi高熵合金温度相关的硬化机制,以及温度和应变率对微结构演化的影响。基于上述的结果,本文建立了 CrMnFeCoNi高熵合金准静态和动态拉伸样品的有限元模型。采用Box-Behnken设计法规划了 一系列准静态和动态拉伸有限元模拟实验来确定CrMnFeCoNi高熵合金的GTN损伤模型参数。建立损伤参数的预测模型,获得了该合金在不同温度和不同应变率拉伸工况下的损伤参数。讨论揭示了高熵合金各损伤参数的温度和应变率依赖行为。丝材是高熵合金一种可能的应用形式。为了探究高熵合金丝材的动态力学行为,本文自主设计了三种霍普金森拉杆的夹具,分别适用于1mm高强度低塑性合金丝、0.5mm及以下细合金丝和1mm高塑性合金丝的动态拉伸测试。提出了合金丝的动态拉伸测试和低温动态测试的数据修正方法,并重点研究了CoCrNi中熵合金丝在室温和77K下的动态拉伸力学行为,表征了其微观结构,讨论揭示了微观变形机制对合金丝力学性能的影响。
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