面心立方高熵合金表面沉积涂层的力学及变形行为

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高熵合金是由五种或五种以上元素按照一定比例混合而成的固溶体合金,全新的合金设计理念以及独特的组织结构使高熵合金具有非常优异的性能,例如高强度、大塑性、良好的抗辐照性能以及优异的耐腐蚀行为,具有广阔的应用前景。在室温拉伸条件下,面心立方固溶体结构的高熵合金表现出较大的塑性变形,然而较低的屈服及抗拉强度限制了其工程应用。通过热机械加工的方式可以优化面心立方高熵合金的室温力学性能,但热机械加工往往改变材料内部的组织结构,增加成型成本。表面镀膜是一种表面处理方式,它通过表层的硬质涂层强化高熵合金基体,且不改变材料内部结构与性质。本文采用化学镀的方法,将Ni-Mo-P涂层沉积到面心立方结构高熵合金CoCrFeNi表面,探究镀膜高熵合金的力学、断裂和变形行为。研究结果表明:(1)当化学沉积时间为1h时,样品的屈服强度(σ_y)及抗拉强度(UTS)分别为260 MPa和760 MPa,相比于基体试样(σ_y=180 MPa,UTS=560 MPa)提高了44.4%和14.2%。原因如下:一方面,涂层的存在可以抑制位错在基体表面的释放;另一方面,涂层使基体中产生背应力与反镜像力,使位错难以产生和扩展。两者共同作用起到强化高熵合金基体的效果。(2)为提高基体与涂层之间的结合力,将化学沉积后的样品在400℃下热处理1h,试样的屈服强度提高了53%,硬度提高了121%。结合力的提高使基体和涂层能够发生协同变形,进而提高整体材料的力学性能。(3)随着涂层厚度降低,基体的限制作用使非晶涂层的断裂方式由完全断裂变为断裂(加均匀流变)再变为剪切带(加均匀流变),最后实现完全均匀流变,依据此现象及实验和计算结果绘制了涂层变形机制图,探究了涂层变形机制。(4)位错在涂层-基体界面处不断积累,发生应力集中,导致界面处基体发生解理断裂,改变了基体的断裂方式。未镀膜基体的断裂方式为塑性断裂,镀膜基体从表面到内部,断裂方式变为从解理断裂到准解理断裂,再到塑性断裂。非晶涂层中裂纹的快速扩展会伸入到基体内部导致基体表面开裂,在一定的程度上造成了基体塑性的降低。
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