关键词： 无Co高熵合金   析出强化   晶界强化   层错能   力学性能   变形机制  

摘要： 高熵合金由于成分和微观组织的多样性使其在各种极端环境下表现出优异的力学性能。其中最受关注的CoCrFeMnNi高熵合金由于是单相面心立方结构,虽然可以表现出优异的塑性变形能力,但强度特别是屈服强度较低,缺乏工程应用价值。为了提高高熵合金的力学性能,可以通过合理地调整控制合金的成分和微观组织从而引入固溶强化、晶界强化、第二相强化、位错强化的等强化机制,其中第二相强化中的沉淀析出强化是目前最热门,前景最明朗的研究方向。目前大多数研究者都会选择CoCrNi或者FeCoCrNi作为析出强化的基体,由于含有价格昂贵的Co元素,这让该合金体系的商业价值大打折扣。本文选择价格明显较为低廉的FeMnCrNi合金作为基础,通过添加Ti原子让合金高强化,轻质化,让其更符合结构材料的发展应用方向。最终本研究将目光聚焦于在FeMnCrNiTi（x=0,5,10）高熵合金,在深入研究之后得出了以下结论:（1）Mn元素会抑制合金的再结晶过程,同时会促进时效退火过程中富铬sigma析出相的形成,高Mn含量的FeMnCrNiTi高熵合金屈服强度达到956 MPa,但塑性较差延伸率仅为8.9%。随着Mn含量降低,虽然材料的沉淀析出强化和晶界强化效果减弱,FeMnCrNiTi高熵合金表现出良好强度塑性权衡,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为677 MPa,1089 MPa和21%。（2）根据热力学模型对FeMnCrNiTi（x=0,5,10）高熵合金的层错能进行了简单的计算。计算结果表明,随着Mn含量的增加,合金层错能增加。但是,Mn元素对合金层错能的影响远不如Ti元素,3 at.%Ti原子的添加使层错能提高到了145 m J/m。这也导致该合金丧失了产生变形孪晶的可能性,即使是在77 K的低温环境下。（3）FeMnCrNiTi高熵合金在室温下由位错波状滑移主导变形,77 K低温环境下由于层错能降低主导变形机制变为位错平面滑移。变形方式的改变让该合金的最大抗拉强度提升到了1284 MPa,延伸率相提升到了35%。

关键词： 高熵合金   力学性能   双相合金   变形机制   分子动力学模拟  

摘要： 高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)开创了金属材料的全新领域,HEAs采用多种主要元素为基本组元,打破了传统合金以单一元素为主的设计理念,它们的组织和性能在很多方面都有别于传统合金。HEAs具有优异的力学性能、耐腐蚀性、耐高温等性能,因此成为未来最有发展潜力的新型材料之一。HEAs的晶体结构通常为简单的面心立方结构(FCC)、体心立方结构(BCC)以及密排六方结构(HCP)。然而,单相的HEAs通常具有强度-延性权衡效应,如单相FCC结构的HEAs有优异的塑性变形能力,但强度相对较低,会大大限制FCC结构HEAs的广泛应用。为了获得高强度高塑性的HEAs,研究人员做出了很多努力并取得了相应的结果,研究发现引入第二相结构可以打破强度-延性权衡效应,其中,晶体/非晶双相HEAs和FCC/HCP双相HEAs都可以在提高材料强度的同时不损失其塑性。因此,本文系统研究了在晶体相中引入非晶相对FCC结构的HEAs的力学性能和变形机制的影响,并且阐明了在FCC/HCP双相HEAs中位错与HCP结构的相互作用机制,该研究对于设计和制备更高性能的双相HEAs提供理论依据。本文的主要研究内容和研究结论如下:(1)在晶体中引入非晶相可以有效地改善晶体HEAs的力学性能。本文通过分子动力学模拟,研究了在单轴拉伸下,通过改变非晶相厚度、晶粒尺寸和元素含量来探究这些因素对晶体/非晶双相HEAs变形机制和力学性能的影响。结果表明,由于晶体相与非晶相的协同作用,在HEAs晶体中引入非晶相可以改善HEAs的力学性能。结果指出,双相HEAs的屈服应力和平均流动应力大于单相多晶HEAs,是由于晶体/非晶界面的稳定性和剪切带的形成对非晶相尺寸的依赖性。随着非晶相厚度的增加或晶粒尺寸的减小,HEAs的塑性变形机制逐渐从晶体相中的位错滑移转变为以非晶相为主的剪切带运动。研究发现,改变晶体相的组分含量不仅可以提高HEAs的强度,而且可以在一定程度上提高其塑性,从而获得具有高强度和良好塑性的HEAs。(2)近年来,FCC/HCP双相结构是实现HEAs的高强度高塑性而提出的一种新的设计策略。本文通过分子动力学模拟研究了FCC/HCP双相结构CoCrFeMnNiHEAs中HCP相厚度、应变速率和温度对螺位错与HCP相相互作用机制的影响。结果表明,位错与HCP结构之间存在两种相互作用机制:一种是位错穿透HCP结构,即穿透机制,另一种是位错被HCP相吸收,即吸收机制。这两种机制的产生主要取决于HCP结构防止位错滑移的相对能力,这与HCP结构的厚度、应变率和温度密切相关。当HCP结构阻挡位错的相对能力较大时,位错与HCP结构之间的相互作用呈现吸收机制;否则,它呈现出穿透机制。该研究可为新型高性能HEAs的开发和设计提供理论指导,以实现材料的高强度和高延性。

关键词： 高熵合金   类金属和非金属   双异质结构   层错能   宽泛应变率  

摘要： 高熵合金(HEAs,High-entropy Alloys),也称为多主元合金,面心立方(FCC,Face-centered Cubic)HEA经常面临着强度低的窘境。在高熵合金中适量添加Si,C,B,O,N等非金属元素,可以有效改善合金的微观组织和力学性能,而不会较大的损失塑性。CoCrFeNi HEA作为一种广泛研究的单相HEA,其拥有优良的力学性能。本文研究了CoCrFeNi高熵合金中类金属元素和间隙元素的协同强韧化作用;分别在室温和低温准静态加载条件下,研究了异质结构的强化和变形机理;并在准静态和动态加载条件下分别研究了两类元素对合金力学性能和微结构演化机理。具体研究内容如下:(1)在CoCrFeNi合金中添加几乎饱和的Si元素,形成置换固溶体,显著促进合金的晶格畸变;继续添加少量的B元素,合金在均匀化的过程中会导致晶界处析出CrB相;此外,N元素的加入显著细化了晶粒,形成了间隙短程有序(SRO,short-range ordering)固溶体,大大提高了合金体系的力学性能。依次添加Si、B和N元素,合金的屈服强度依次得到提高,固溶强化是合金屈服强度提升的主要原因。此外,合金的层错能(SFE,Stacking Fault Energy)降低导致了密排六方(HCP,Hexagonal Compact Packing)相变的产生,多级孪晶和N原子的间隙短程有序极大的提升了加工硬化能力。(2)通过双异质结构调节,合金在室温下强度得到进一步提高,达到了1.2GPa,由于多级结构的协同作用,部分再结晶区域在变形过程中对位错的存储,总延伸率(TE,Tensile Elongation)仍保持13%,使得合金有较高的加工硬化和韧性。由于合金多级强化,在低温下屈服强度和塑性几乎不变且变形并不是均匀发生的,在早期运动的晶粒中发现短程有序能够有效阻碍位错的运动。合金在低温下层错能的降低极大的影响了合金的变形机制,室温下能够发现大量的层错网和L-C(L-C,Lomer-Cottrell)锁,而低温下则导致了大量的HCP相变。(3)在宽泛应变率(10 s～3700 s)加载下,研究了类金属元素Si和间隙元素C的添加对CoCrFeNi合金力学性能的影响,析出相比间隙原子对屈服强度敏感性的影响较大,而其在变形过程中被剪切破环,这使得加工硬化第二阶段快速上升后立即下降;而C元素得加入在提高屈服强度的同时,加工硬化第二阶段能够保持平稳,这归因于C形成间隙短程有序对位错的阻碍作用。

关键词： 高熵合金   强韧化   间隙原子   层错能   变形孪晶   高压扭转  

摘要： 强塑倒置关系是结构材料研究中难以解决的问题。高熵合金作为多主元新型合金材料,由于其独特的物理性质和力学行为,被认为是开发新型高性能材料的重要方向,在航空航天、生物医疗、船舶工程等领域均有优良的应用潜力。面心立方结构高熵合金虽然具有优异的延展性,但室温强度较低,这限制了其在结构工程中的应用。因此,亟需从合金设计和加工工艺等方面对面心立方高熵合金开展强韧化研究。间隙原子的加入是合金中常用的强化手段。首先,间隙C原子的固溶强化能加剧合金晶格畸变程度,造成晶格摩擦力增大,有利于屈服强度的提升。此外,晶格畸变的加剧导致合金孪晶区域更高的局部应力集中和位错移动困难,阻碍了变形孪晶的生长,产生更薄的变形孪晶,能显著提高应变硬化速率。在一定退火条件下,间隙C原子会以碳化物的形式析出,带来沉淀强化作用,其钉扎作用有利于异质结构的形成。然而,不容忽视的是,C的加入同时会造成合金层错能显著提高,不利于变形孪晶的形成。因此,探究并调控间隙C原子对面心立方高熵合金力学行为的综合影响作用,对于进一步开发新型面心立方高熵合金至关重要。本研究以FeMnCoCr为研究对象,由于奥氏体稳定元素Mn同样有增加层错能的效果,因此合金设计采用增加C含量、降低Mn含量的方法控制层错能,从而设计了新型FeMnCoCrC高熵合金。研究表明,冷轧态FeMnCoCrC高熵合金在900℃退火10分钟后,屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）分别较FeMnCoCr高熵合金增加了131%（达到515 MPa）和81%（达到997 MPa）。另外,其均匀伸长率（UE）和总伸长率（TE）分别为45%和52%,与FeMnCoCr高熵合金相当。并且FeMnCoCrC合金具有更高的应变硬化速率。为了进一步提升FeMnCoCrC高熵合金力学性能,本研究采用高压扭转技术对FeMnCoCrC合金进行晶粒细化,获得超细晶组织,并结合退火处理恢复合金延展性。研究表明,高压扭转后的FeMnCoCrC高熵合金在800℃退火60分钟后,晶粒尺寸细化至2μm,细晶强化进一步加强,屈服强度为662 MPa,抗拉强度为1042 MPa,同时总伸长率高达53.8%。因此,本研究通过间隙原子C的引入开发出了新型FeMnCoCrC面心立方高熵合金,实现了固溶强化、沉淀强化、细晶强化、孪晶强化以及异质变形诱发（HDI）强化的协同作用,获得了高强度高延展性兼容的效果。上述结果对于突破结构材料的强塑倒置关系,开发具有高强高塑的合金具有重要指导意义。

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： 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。

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： 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   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。