北理工《Mater Des》:兼具优异压缩强度和塑性的高熵合金!

高熵合金(HEA)也被称为多组分合金,即使混合了多个主要元素,也能形成单相固溶体(www.tthn.net)。FCC结构HEA具有出色的延展性(伸长率>50%),但屈服强度小于300MPa;BCC的HEA情况相反,屈服强度可达到1250MPa,但是脆性较大,伸长率较低。已经证实机械性能可以通过控制结构或金属间化合物进行调控。现有研究中,设计了多种HEA,尽管这些HEA具有很高的强度,但是普遍延展性较差,在单轴拉伸过程中伸长率约为2%,因此研究大多集中于压缩试验。目前为止,仅研究了CoCrFeNiMx(M=Hf,Zr, Nb, Ta)的微观组织和力学性能演变,这些高熵体系仅确定了一种共晶成分,共晶高熵合金成分单一,急需开发新的性能组合良好的高熵合金。

北京理工大学的研究人员提出了一种改进的简单混合方法成功确定了Co-Cr-Fe-Ni-Hf体系的两种共晶成分,该高熵合金表现出压缩屈服强度(1245±10MPa)和延展性(0.26±0.03)的良好组合。相关论文以题为“Excellent combination of compressive strength and ductility of (CoCrFeNi)x (Co0.26Cr0.07Fe0.16Ni0.31Hf0.4) high-entropy alloys”发表在Materials and Design。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109569

本研究制备了多种(CoCrFeNi)x (Co0.26Cr0.07Fe0.16Ni0.31Hf0.4) HEA,x从0.5至1.0。当x=0.5-0.6时,微观结构由初级Laves相和低共熔结构组成,共晶结构包括交替不规则的层状FCC和Laves相;将x增加到0.7,观察到完全共晶的微观结构;当x=0.8时,获得了另一个完全共晶的微观结构,主要由规则薄片和不规则薄片结构组成,x从0.7增加至0.8,FCC分数从0.46增加至0.62,FCC和薄片的宽度分别从207nm增加至253nm和从143nm增加至202nm;将x进一步增加至0.9和1.0,可以观察到次共晶结构,包括初级FCC相和共晶结构。

图1 铸态(CoCrFeNi)x(Co0.26Cr0.07Fe0.16Ni0.31Hf0.4)的显微组织(a) x=0.5;(b) x=0.55;(c)x=0.6;(d) x=0.7;(e) x=0.8;(f)x=0.9;(g) x=1.0

图2 高熵合金TEM图(a) 过共晶x=0.5;(b) 共晶x=0.7;(c) 共晶x=0.8;(d) 次共晶x=1.0

图3 (a) 压缩工程应力-应变曲线;(b) 维氏硬度;(c) (CoCrFeNi)x(Co0.26Cr0.07Fe0.16Ni0.31Hf0.4)压缩力学性能;(d) (CoCrFeNi)x(Co0.26Cr0.07Fe0.16Ni0.31Hf0.4)和CoCrFeNiHfx压缩性能比较

本文研究的HEA主要由两部分组成,即软FCC和硬Laves相,它们决定了压缩行为,Laves相可提供第二相强化,FCC相通过晶粒细化和固溶强化来强化。当x从0.5增加至0.8,压缩屈服强度和抗压强度分别从1661MPa降低至1030MPa和2049MPa降低至1602MPa,主要是第二相含量下降导致强化效果减弱,由于增大了FCC相体积分数,压缩延展性得到较大改善。

图4 压缩断口表面形貌(a) 过共晶x=0.5;(b) 共晶x=0.7;(c) 共晶x=0.8

图5 压缩后显微组织TEM图(a-d) 不规则薄片(x=0.7);(e-h) 规则薄片(x=0.8)

图6 断裂后的(a) x=0.7和(b) x=0.8的SEM图像

本研究系统地研究了(CoCrFeNi)x (Co0.26Cr0.07Fe0.16Ni0.31Hf0.4) HEA的微观结构和压缩力学性能的演变,表明与常规CoCrFeNiHfx HEA相比,本文提出的高熵合金具有压缩强度和延展性的良好组合,表明可以进一步改善FCC/Laves HEA的强度和延展性的组合,设计出符合需求的材料。(文:破风)

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