关键词： 多主元合金   强化机制   变形机制   异质结构  

摘要： 多主元(中熵及高熵)合金在诸多领域均表现出优异于传统合金的特性。特别是力学性能方面,多主元合金具有突破传统合金材料固有的“强度与塑性倒置关系壁垒”的潜力。本文在NiCoCr多主元合金研究的基础上,研究具有双重结构特征的微观组织的富镍多主元合金的微观结构与性能间的内禀联系,揭示特殊变形机制(如TRIP、TWIP效应)强韧化机理及发生条件。在获得高性能多主元合金的同时为领域内其他合金成分、工艺设计提供新思路。(1)通过“亚稳态工程”思路设计一种具有双相(富Ni与富Co-FCC高熵相)微观结构的热轧态NiCoCr中熵合金,合金在室温拉伸下屈服强度超过300±20MPa,抗拉强度超过800±20MPa,延伸率为114%。在拉伸过程中,由于富Ni-FCC高熵相与富Co-FCC高熵相之间的塑性变形差异导致两相界面处存在明显的应力,进而持续诱导亚稳态富Co-FCC高熵相向稳态富Co-HCP高熵相的转变,并在塑性变形以及类马氏体相变后期,与脆性富Co-HCP高熵相协调变形,有效防止过早的应力集中以及微裂纹的形核长大。这种TRIP效应可以有效维持合金高的应变硬化率,避免应力集中进而获得优异的力学性能。(2)在上述研究基础上,设计出一种富Ni的NiCoCrAlTi中熵合金。在冷轧处理后选择较低的时效(退火)温度,在富Ni-FCC基体高熵相形成异质晶粒结构的同时有序L12强化相以不连续的板条状析出,由此获得双重异质结构合金。该合金室温下屈服强度为1710±20MPa,延伸率为15±1.0%,合金在低温-196℃拉伸时,屈服强度达到1820±20MPa,延伸率也增加至23±0.5%。通过富Ni-FCC基体高熵相与有序L12强化相之间的协调形变,室温下以位错滑移以及层错变形机制为主,而在-196℃温度下变形时,启动了形变孪晶机制(TWIP效应),孪晶密度也随着变形程度的增加而增加,使得合金具有优异的应变硬化率的能力。(3)在NiCoCrAlTi中熵合金的研究基础上,进一步优化合金并沿用工艺设计思路,获得同样具有Ni-FCC基体高熵相与有序L12强化相组成的双重异质结构的微观组织NiCoCrFeAlTi高熵合金。同样地,在拉伸过程中该合金表现耦合多种强化机制。不同的是,该合金在室温拉伸下就表现出TWIP效应。这些强韧化机制相互耦合使得该合金获得优异的力学性能,即抗拉强度达到1850±20MPa,延伸率达到17±0.5%。

关键词： 难熔高熵合金   组织结构   力学性能   第二相强化   异质结构  

摘要： 由高熔点元素组成的难熔高熵合金（Refractory high-entropy alloy,RHEA）不仅在高温下呈现出卓越的抗高温软化能力,而且在极端条件下还表现出良好的抗高温氧化能力和辐照能力,使其被视为下一代先进高温结构材料的潜在候选者。然而,难熔高熵合金的室温塑性较差,不具备良好的加工能力,这极大限制了其应用潜力。因此,在不牺牲强度的同时,如何改善难熔高熵合金的室温塑性,是当前科学研究的热点问题。鉴于此,本文选取Ta-Mo-Cr-Ti-Al系难熔高熵合金作为研究对象,探究了两种协同优化难熔高熵合金室温强度及塑性方法,并揭示了其潜在微观机制,为优化难熔高熵合金力学性能和实现工业应用提供了一定的理论支撑和有益参考。本工作主要研究结果如下: 通过C微合金化,构筑了(MoCrTiAl0.16)100-xCx（x=5、10、15）双相难熔高熵合金。研究发现,MoCrTiAl0.16难熔高熵合金的铸态组织为有序的单一BCC结构。随着C元素的引入,合金的有序相被有效抑制,其铸态组织转变为双相的FCC+无序的BCC结构,且FCC相含量随着C元素增加而增加。进一步地,能谱分析表明FCC相中富含Ti、C两种元素,而BCC相主要富含Mo、Cr和Al三种元素。 通过对(MoCrTiAl0.16)100-xCx难熔高熵合金室温压缩行为的系统实验研究发现,随着C元素含量由0增加到10 at.%,合金的室温屈服强度由1164.8 MPa提升到2398.2MPa,室温断裂应变由4.3%提升到11.3%,显示出一个良好的强韧性匹配。然而,随着C含量进一步增加到15 at.%,尽管合金的强度进一步提升,但室温断裂应变却下降到8%。如此的实验结果意味着C的微合金化对MoCrTiAl系难熔高熵合金室温强韧性匹配具有两面性。此外,受益于室温强度的显著改善,(MoCrTiAl0.16)90C10和(MoCrTiAl0.16)85C15难熔高熵合金在1200℃下均表现出卓越的抗高温软化能力。 通过引入Zr元素成功在TaMoTiAl8难熔高熵合金中构筑出软硬相有序分布的双相异质结构。不同于具有单一BCC结构的TaMoTiAl8难熔高熵合金,TaMoZrTiAl8合金的铸态组织为无序的BCC1+有序的BCC2相的双相结构,其中BCC1相富含Ta、Mo元素,BCC2相富含Zr、Ti、Al元素。纳米压痕实验表明,BCC1相纳米硬度值为7.5 GPa,BCC2相纳米硬度值为6.1 GPa,表明BCC2相具有更好的塑性变形潜力,这不同于以往的认知,即相较于无序的BCC相,具有有序结构的BCC相通常是硬而脆的。 该TaMoZrTiAl8异质结构难熔高熵合金的屈服强度为1915 MPa,断裂应变值为21.1%,分别相当于TaMoTiAl8合金强度和断裂应变的1.55倍和2.39倍。分析认为,室温屈服强度的提高主要来自于Zr元素添加所引起的固溶强化和异构强化。抗压强度和室温塑性的提高则与异质结构变形过程中的塑性自协调力学响应密切相关。

关键词： 高熵合金   异构   强韧化   力学性能  

摘要： 高熵合金突破了传统合金设计理念的桎梏,具有高强度、高硬度、高耐磨性及抗腐蚀性,是一种具有巨大发展前景的新型金属材料。然而,金属材料的强度与塑性之间存在倒置矛盾关系,高熵合金仍受困于这一难题。因此,设计开发兼具高强度与高塑性的高熵合金材料已成为目前研究热点与难点。近年来,异构设计理念在传统金属材料强韧化这一问题上得到发展,如何设计异构高熵合金以实现高熵合金强韧化,使合金兼具高强度与高塑性,引起了科研人员的重视。本文从异构显微组织尺度出发,综述了目前存在的异构显微结构设计方法,分析了不同异构组织对其强韧化机制及力学性能的影响,并对未来高强韧高熵合金显微结构设计进行了展望。

关键词： 高熵合金   强度   塑性   强韧化  

摘要： 随着人类社会的不断发展和对材料需求的日益增长,人们对于在特殊领域服役的材料提出了一些全新的要求。多组元合金设计理念的提出,为合金设计提供了无限的成分空间。高熵合金(HEAs)由多种组元构成,这种体系极大提高了合金的混合熵,并且在得到高浓度固溶体的同时避免了形成具有脆性的金属间化合物,使其具备了传统合金难以拥有的优异综合性能。然而,对于服役于极端恶劣环境下的材料通常要求同时具备高塑性和高强度。因此,近年来国内外研究者通过多种强韧化手段实现了高熵合金强度的提升,同时,避免了塑性的降低。本文从高熵合金的成分优化、相结构设计、强韧化方式创新等方面归纳和分析了国内外关于高熵合金强韧化的最新研究进展。

关键词： 难熔高熵合金   微观组织   力学性能   强韧化   性能调控  

摘要： 在众多高熵合金中,由5种或5种以上的难熔金属元素,按照等原子比或者近等原子比混合形成的难熔高熵合金,凭借稳定的相结构和优异的高温性能,在高温材料领域具有广阔的应用前景。本文从难熔高熵合金的研究现状出发,综述典型难熔高熵合金的微观组织和相组成、室温和高温力学性能、强韧化机理与力学性能调控,并对未来难熔高熵合金的研究开发进行展望。首先,将难熔高熵合金按照组成相进行分类,分析了难熔高熵合金的微观组织和相组成,然后总结了难熔高熵合金的室温和高温力学性能与强韧化机理,并讨论了3种不同的强韧化方案,即化学成分调控、工艺调控和相结构调控。最后对未来难熔高熵合金的发展进行了展望,并对其未来重点研究方向提出了如下建议:借助计算机等技术,模拟与计算材料的性能与形成相,构建难熔高熵合金的研究平台与数据库;借助组合实验方法,加快筛选新的难熔高熵合金;掌握自上而下和自下而上的实验方法,探究性能优异的新型难熔高熵合金体系。

关键词： 焊接研究所   加工硬化率   高熵合金   强韧化机制   面心立方晶体   塑性变形能力   低温力学性能   塑性变形机制  

摘要： 广东省科学院中乌焊接研究所、华南理工大学、美国达特茅斯学院等研究人员研究揭示面心立方晶体结构高熵合金强韧化机制。高熵合金由于优异的力学与物理化学性能受到了国内外学界的广泛关注,其复杂强韧化机制保障了高熵合金具有高加工硬化率与稳定塑性变形能力,可打破传统合金存在的强度-韧性关系倒置瓶颈。其中,共格纳米L12相强化的面心立方晶体结构高熵合金,具有优异的高温、常温、低温力学性能,其强韧化机制与塑性变形机制是目前的研究热点。

关键词： 焊接研究所   加工硬化率   高熵合金   塑性变形能力   强韧化机制   面心立方晶体   物理化学性能   华南理工大学  

摘要： 广东省科学院中乌焊接研究所、华南理工大学、美国达特茅斯学院等研究人员研究揭示面心立方晶体结构高熵合金强韧化机制。高熵合金由于优异的力学与物理化学性能受到了国内外学界的广泛关注,其复杂强韧化机制保障了高熵合金具有高加工硬化率与稳定塑性变形能力,可打破传统合金存在的强度-韧性关系倒置瓶颈。

关键词： 高熵合金   析出强化   非均匀组织   强度   塑性  

摘要： 以fcc结构高熵合金为基础合金,通过添加Al、Ti和C元素,设计了新型析出强化Fe_(53)Mn_(15)Ni_(15)Cr_(10)Al_(4)Ti_(2)C_(1)高熵合金。经过轧制后该合金含有纳米结构轧制条带(含有变形孪晶)和高密度位错结构。中温长时间热处理后该合金具有纳米结构非均匀组织,包括轧制条带、位错和大量的纳米析出相,表现出优异的强度-塑性匹配关系。该合金优异的力学性能是由于组织中与基体共格的L1_(2)型析出相起到了显著的析出强化作用,使该合金强度明显提高;另一方面,高密度位错得到有效回复,改善了合金的应变硬化能力。采用中温长时间热处理可获得强度-塑性匹配优异的非均匀组织析出强化高熵合金。

关键词： 高熵合金   强韧化   力学性能   变形   金属材料  

摘要： 高熵合金独特的多主元成分，使其具有很多优于传统合金的特性，包括高强度、高硬度、高耐磨性、优异的低温韧性等。优异的性能是高熵合金在极端情况下获得应用的基础。随着对高熵合金研究的深入，人们对高熵合金的研究重心从单一的组分调控逐渐转移到多种强韧化方法共同作用，以提升高熵合金的性能。本文综述了高熵合金强韧化的研究现状，列举了如细晶强化（fine grain strengthening）、固溶强化（solution strengthening）、相变诱导塑性（transformation-induced plasticity,TRIP）、孪晶诱导塑性（twinning-induced plasticity,TWIP）、第二相强化（second phase strengthening）等机制的典型应用范例，并分析了各强韧化方法的作用机理及利弊。并对高熵合金的发展趋势进行了展望。