編輯推薦:本文建立了制備單相等原子CrFeNi中熵合金的熱機(jī)械加工路線,晶粒尺寸在10-160μm范圍內(nèi)。研究了77K-873K的壓縮和拉伸力學(xué)性能,揭示其變形機(jī)理。本文驗(yàn)證了現(xiàn)有理論的準(zhǔn)確性,為獲得不同晶粒尺寸的中熵合金提供了制備方法,并為后續(xù)中熵合金性能預(yù)測(cè)提出了思路。
中熵和高熵合金(MEAs和HEAs)打破了溶質(zhì)和溶劑的傳統(tǒng)概念,經(jīng)常以接近等原子比例由多種主元素組成。目前主要研究單相固溶體的穩(wěn)定性、擴(kuò)散行為、彈性性能、力學(xué)性能和變形機(jī)理等方面。迄今為止,對(duì)于CrFeNi的內(nèi)在物理知識(shí)和機(jī)械性能量化知之甚少。
德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)的研究人員研究了等原子CrFeNi中熵合金。闡明等原子CrFeNi合金的晶格強(qiáng)度及其對(duì)溫度的依賴關(guān)系,探討了不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。相關(guān)論文以題為“Effects of temperature on mechanical properties and deformation mechanisms of the equiatomic CrFeNi medium-entropy alloy”發(fā)表在金屬材料頂級(jí)期刊Acta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.11.012
本研究使用真空感應(yīng)熔煉制備Cr33.3Fe33.3Ni33.3等原子合金。鑄成直徑45mm,高160mm的圓柱,直徑車削加工至40mm,在真空下進(jìn)行1473K×48h均勻化處理,在室溫下進(jìn)行冷加工鍛造,直徑從40mm減小至16.8mm(真應(yīng)變=1.8)。將試樣在1273K-1473K范圍內(nèi)進(jìn)行15-60min退火,最終得到6種不同的晶粒尺寸。
研究發(fā)現(xiàn)在1273K和更高溫度退火后,CrFeNi MEA為單相FCC,而在較低溫度退火時(shí),合金為兩相組織(主相FCC,次相BCC)。再結(jié)晶組織均為弱織構(gòu),其應(yīng)力場(chǎng)未表現(xiàn)出任何拉壓不對(duì)稱。研究了293K時(shí)的晶界強(qiáng)化,發(fā)現(xiàn)這與Hall-Petch關(guān)系一致,單相FCC CrFeNi多晶的單軸強(qiáng)度為80±8 MPa。假設(shè)晶界強(qiáng)化與溫度無(wú)關(guān),晶格強(qiáng)度隨溫度在223-873K之間的變化與基于Varvenne等人建立的固溶強(qiáng)化模型的預(yù)測(cè)是符合的。
圖1 FCC CrFeNi合金在(a,c) 1473K和(b,d) 1273K退火1h后沿軸向再結(jié)晶的譜圖和顯微圖
圖2 不同晶粒尺寸(a) 10μm、(b) 55μm和(c) 160μm的再結(jié)晶CrFeNi合金的代表性組織
圖3 Hall-Petch效應(yīng)Ky與(a)純金屬、二元固溶體、具有FCC結(jié)構(gòu)的MEAs和HEAs的穩(wěn)定層錯(cuò)能γisf和(b) CrMnFeCoNi、CrFeCoNi、CrCoNi和CrFeNi的不穩(wěn)定層錯(cuò)能γusf間的關(guān)系
圖4 (a)在平均晶粒尺寸d=160μm的情況下,在77K和293K進(jìn)行拉伸時(shí)的真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線;(b)在與(a)相同的溫度下,加工硬化率dσ/dε作為真實(shí)應(yīng)力的函數(shù)
圖5 (a)、(b)和(c)分別為真塑性應(yīng)變1.9%、4.5%和39.1%時(shí)的微觀組織
圖6 (a)、(b)和(c)分別為真塑性應(yīng)變16.0%、17.4%和31.9%時(shí)的微觀組織
在最大晶粒尺寸(d=160μm)的CrFeNi MEA中,塑性早期階段主要受堆積在晶界上的位錯(cuò)的滑移控制。隨著變形的進(jìn)行,在77K(1.9%-4.5%)和293K(16.0%-17.4%)的真應(yīng)變下,納米孿晶形成了附加變形機(jī)制。表明在160μm晶粒尺寸的CrFeNi合金中,變形孿晶的臨界切應(yīng)力幾乎與溫度無(wú)關(guān),值為165±5 MPa。隨著溫度的升高,可以通過(guò)動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)(隨著變形的增加,平均晶粒尺寸動(dòng)態(tài)減小)提高加工硬化速率,從而延遲縮頸,提高延性。
77K時(shí),動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)可以有效地減小位錯(cuò)平均自由程,提高加工硬化速率。相比之下,在293K時(shí)幾乎不存在,因?yàn)槲诲e(cuò)平均自由程與位錯(cuò)胞的尺寸基本一致,而位錯(cuò)胞的平均自由程則遠(yuǎn)小于位錯(cuò)胞的平均間距。因此,位錯(cuò)不能有效地與孿晶界相互作用,這不會(huì)引起293K時(shí)的動(dòng)態(tài)Hall-Petch強(qiáng)化。(文:破風(fēng))
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