編輯推薦:本文建立了制備單相等原子CrFeNi中熵合金的熱機械加工路線,晶粒尺寸在10-160μm范圍內。研究了77K-873K的壓縮和拉伸力學性能,揭示其變形機理。本文驗證了現有理論的準確性,為獲得不同晶粒尺寸的中熵合金提供了制備方法,并為后續中熵合金性能預測提出了思路。
中熵和高熵合金(MEAs和HEAs)打破了溶質和溶劑的傳統概念,經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定性、擴散行為、彈性性能、力學性能和變形機理等方面。迄今為止,對于CrFeNi的內在物理知識和機械性能量化知之甚少。
德國波鴻魯爾大學的研究人員研究了等原子CrFeNi中熵合金。闡明等原子CrFeNi合金的晶格強度及其對溫度的依賴關系,探討了不同強化機制對強度的貢獻。相關論文以題為“Effects of temperature on mechanical properties and deformation mechanisms of the equiatomic CrFeNi medium-entropy alloy”發表在金屬材料頂級期刊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,在真空下進行1473K×48h均勻化處理,在室溫下進行冷加工鍛造,直徑從40mm減小至16.8mm(真應變=1.8)。將試樣在1273K-1473K范圍內進行15-60min退火,最終得到6種不同的晶粒尺寸。
研究發現在1273K和更高溫度退火后,CrFeNi MEA為單相FCC,而在較低溫度退火時,合金為兩相組織(主相FCC,次相BCC)。再結晶組織均為弱織構,其應力場未表現出任何拉壓不對稱。研究了293K時的晶界強化,發現這與Hall-Petch關系一致,單相FCC CrFeNi多晶的單軸強度為80±8 MPa。假設晶界強化與溫度無關,晶格強度隨溫度在223-873K之間的變化與基于Varvenne等人建立的固溶強化模型的預測是符合的。
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的再結晶CrFeNi合金的代表性組織
圖3 Hall-Petch效應Ky與(a)純金屬、二元固溶體、具有FCC結構的MEAs和HEAs的穩定層錯能γisf和(b) CrMnFeCoNi、CrFeCoNi、CrCoNi和CrFeNi的不穩定層錯能γusf間的關系
圖4 (a)在平均晶粒尺寸d=160μm的情況下,在77K和293K進行拉伸時的真應力-真塑性應變曲線;(b)在與(a)相同的溫度下,加工硬化率dσ/dε作為真實應力的函數
圖5 (a)、(b)和(c)分別為真塑性應變1.9%、4.5%和39.1%時的微觀組織
圖6 (a)、(b)和(c)分別為真塑性應變16.0%、17.4%和31.9%時的微觀組織
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的滑移控制。隨著變形的進行,在77K(1.9%-4.5%)和293K(16.0%-17.4%)的真應變下,納米孿晶形成了附加變形機制。表明在160μm晶粒尺寸的CrFeNi合金中,變形孿晶的臨界切應力幾乎與溫度無關,值為165±5 MPa。隨著溫度的升高,可以通過動態Hall-Petch效應(隨著變形的增加,平均晶粒尺寸動態減小)提高加工硬化速率,從而延遲縮頸,提高延性。
77K時,動態Hall-Petch效應可以有效地減小位錯平均自由程,提高加工硬化速率。相比之下,在293K時幾乎不存在,因為位錯平均自由程與位錯胞的尺寸基本一致,而位錯胞的平均自由程則遠小于位錯胞的平均間距。因此,位錯不能有效地與孿晶界相互作用,這不會引起293K時的動態Hall-Petch強化。(文:破風)
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