cocrcufemnmoni系高熵合金组织与性能
摘 要摘 要本文选取Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Ni七种金属元素，通过改变两种高熵合金系Mn元素的摩尔比，配制不同成分的CoCrCuFeMnxNi和CoCrCu0.1Fe0.1MnxMoNi高熵合金，采用真空电弧炉熔炉制备合金试样。借助多种分析测试手段研究这两种高熵合金系的组织和性能的变化规律。研究发现，对于CoCrCuFeMnxNi高熵合金，随着Mn元素含量的增加，枝晶细化，并且有针状析出；结构中只存在FCC相；硬度先降低再提高，强度不断提高。而对于CoCrCu0.1Fe0.1MnxMoNi高熵合金来说，随着Mn元素含量的增加，结构中会逐渐变成FCC和BCC的混合相；当Mn元素摩尔比为0.3时，硬度最高，之后随着Mn元素含量增加而降低；材料的强度随着Mn元素含量的增加而降低。关键词：高熵合金；微观组织；相结构；硬度；强度目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 高熵合金的研究背景 1
1.2.1 高熵合金的定义 1
1.2.2 高熵合金的制备方法 2
1.3 高熵合金形成的热力学与动力学 2
1.4. 高熵合金的研究成果 4
1.4.1 AlCoCrCuFeNi系多组元高熵合金 4
1.4.2 AlTiFeNiCuCrx系多组元高熵合金 6
1.4.3 AlFeCuCoNiCrTi1.5多主元高熵合金 7
1.4.4 AlFeCuCoNiCrTix系多组元高熵合金 8
1.5 高熵合金的性能特点 9
1.5.1 硬度和强度 9
1.5.2 回火抗力和抗高温氧化性 9
1.5.3 耐磨性 10
1.5.4 耐蚀性 10
1.6 多主元效应 10
1.6.1 高熵效应 10
1.6.2 晶格畸变效应 10
1.6.3 缓慢扩散效应 11
1.7 高熵合金的应用 11
1.8 课题的提出 11
第二章 实验材料和方法 13
2.1 实验室材料成分设计与制备 13
2.1.1 材料
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
10
1.6 多主元效应 10
1.6.1 高熵效应 10
1.6.2 晶格畸变效应 10
1.6.3 缓慢扩散效应 11
1.7 高熵合金的应用 11
1.8 课题的提出 11
第二章 实验材料和方法 13
2.1 实验室材料成分设计与制备 13
2.1.1 材料的成分设计 13
2.1.2 材料的制备 13
2.2 材料的处理 14
2.2.1 材料组织观察 15
2.2.2 材料性能测试 16
（1）硬度测试 16
第三章 CoCrCuFeMnMoNi高熵合金的组织与性能 18
3.1 CoCrCuFeMnxNi高熵合金的显微组织和性能 18
3.1.1 组织分析 18
3.1.2 XRD分析 22
3.1.3 硬度分析 22
3.1.4 强度分析 24
3.2 CoCrCu0.1Fe0.1MnxMoNi高熵合金的显微组织与性能 25
3.2.1 组织分析 25
3.2.2 XRD分析 28
3.2.3 硬度分析 28
3.2.4 强度分析 29
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 引言
人类文明发展至今，材料与之息息相关，材料的发展推动着人类文明的进步。金属材料作为众多材料中的一种，从冷兵器时代到热兵器时代都发挥了重要作用，至今仍在生活中的方方面面维持并推动人类社会的发展。金属种类众多，随着社会的发展，单一纯金属的产品已经远远不能满足社会发展的需要，合金的应用已经越来越深入各行各业，如今，人类已经开发出30多种合金系，并辅之以各种对应的加工工艺来获得我们所需的性能不同但性能优异的众多合金材料。
利用传统合金的思想我们制备出了许多性能优良的各类合金材料，并被广泛应用于各行各业。传统合金思想是以一种金属元素为主，辅之其他元素。传统合金思想认为合金元素种类的增多会产生多相，恶化组织性能，由此带来组织分析的困难。这种思想虽然在移动程度上比较完善的系统的发展了传统合金种类，但是，如今以这种思想制备出的合金种类已经远远不能满足生活和生产过程中的需求。而如今，高熵合金的出现打破了传统思想，台湾学者叶均蔚与孙道中两人提出了多元合金，即高熵合金的理念，这大大拓展了人类对于合金的理解。高熵合金要求5种或5种以上的合金元素共同作用，每个主元含量在5%到35%之间，形成的固溶体热稳定性很高，许多方面都优于传统合金。这为合金的继续发展拓展了新的渠道。
1.2 高熵合金的研究背景
1.2.1 高熵合金的定义
几千年以来，我们对于合金系统的认识只是以一种主要元素为主，添加其他元素来改进材料的性能。我国是最早生产合金的国家之一，商朝的青铜工艺技术非常发达，春秋晚期的剑就是钢制品。剑是钢制品，其中钢以Fe元素为主元素，而铝合金则是以Al元素为主元素，为了提高钢材料的硬度，我们可以在其中加入适量的碳铝元素；为了提高铝合金的硬度，我们可以在其中加入一些其他的元素。不过，事事并非想象的那么简单，元素周期表的制做，为传统合金的发展提供了强有力的支持，但是随着时间的推移，利用数量有限的周期表元素和传统合金思想制备的合金种类已经远远不能满足社会发展的需求，所以我们必须寻求新的方式。如果我们不再局限于加一两种元素，而是想办法多加几种元素，就可以大大拓展合金的发展历程。比如把Al、Cu、Cr、Co、Fe这几种元素以等摩尔量混合成合金，以此为基础，台湾学者叶均蔚[1]对于合金颇有研究，在1995年提出他对于新合金的概念想法，并命名其为“高熵合金”。
1.2.2 高熵合金的制备方法
随着人类文明的不断发展，前人不断的探索和实践，能够总结出五种制备高熵合金的方法。同时传统合金的制备方法也被广泛地利用在了高熵合金的制备过程之中。下面是5种方法的具体内容：
(1)真空电弧熔炼法：在真空中，利用电能在电极和电极或者电极与被熔炼物料间产生电弧来熔炼金属的电热冶金方法。
(2)激光熔覆法：在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝后，在基层表面形成与冶金结合的添料熔覆层的方法。
(3)磁控溅射法：在高度真空中冲入适量氩气，在阴极和阳极间施加几百K直流电压,在镀膜室里产生磁控型异常辉光放电，使得氩气发生电离的方法。
(4)热喷涂技术：利用热源把喷涂材料加热到熔化或者半熔化的状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的技术。
(5)机械合金化：金属或者合金粉末在高能球磨机当中利用粉末颗粒与磨球间长时间碰撞，粉末颗粒在这过程之中不断的断裂，从而导致粉末颗粒当中原子扩散，进而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。
1.3 高熵合金形成的热力学与动力学
熵是热力学上表示一个系统中混乱程度的参数，熵值越大，系统的混乱度也越大。从热力学角度，自由能G和焓H，绝对温度T及S
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 高熵合金的研究背景 1
1.2.1 高熵合金的定义 1
1.2.2 高熵合金的制备方法 2
1.3 高熵合金形成的热力学与动力学 2
1.4. 高熵合金的研究成果 4
1.4.1 AlCoCrCuFeNi系多组元高熵合金 4
1.4.2 AlTiFeNiCuCrx系多组元高熵合金 6
1.4.3 AlFeCuCoNiCrTi1.5多主元高熵合金 7
1.4.4 AlFeCuCoNiCrTix系多组元高熵合金 8
1.5 高熵合金的性能特点 9
1.5.1 硬度和强度 9
1.5.2 回火抗力和抗高温氧化性 9
1.5.3 耐磨性 10
1.5.4 耐蚀性 10
1.6 多主元效应 10
1.6.1 高熵效应 10
1.6.2 晶格畸变效应 10
1.6.3 缓慢扩散效应 11
1.7 高熵合金的应用 11
1.8 课题的提出 11
第二章 实验材料和方法 13
2.1 实验室材料成分设计与制备 13
2.1.1 材料
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
10
1.6 多主元效应 10
1.6.1 高熵效应 10
1.6.2 晶格畸变效应 10
1.6.3 缓慢扩散效应 11
1.7 高熵合金的应用 11
1.8 课题的提出 11
第二章 实验材料和方法 13
2.1 实验室材料成分设计与制备 13
2.1.1 材料的成分设计 13
2.1.2 材料的制备 13
2.2 材料的处理 14
2.2.1 材料组织观察 15
2.2.2 材料性能测试 16
（1）硬度测试 16
第三章 CoCrCuFeMnMoNi高熵合金的组织与性能 18
3.1 CoCrCuFeMnxNi高熵合金的显微组织和性能 18
3.1.1 组织分析 18
3.1.2 XRD分析 22
3.1.3 硬度分析 22
3.1.4 强度分析 24
3.2 CoCrCu0.1Fe0.1MnxMoNi高熵合金的显微组织与性能 25
3.2.1 组织分析 25
3.2.2 XRD分析 28
3.2.3 硬度分析 28
3.2.4 强度分析 29
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 引言
人类文明发展至今，材料与之息息相关，材料的发展推动着人类文明的进步。金属材料作为众多材料中的一种，从冷兵器时代到热兵器时代都发挥了重要作用，至今仍在生活中的方方面面维持并推动人类社会的发展。金属种类众多，随着社会的发展，单一纯金属的产品已经远远不能满足社会发展的需要，合金的应用已经越来越深入各行各业，如今，人类已经开发出30多种合金系，并辅之以各种对应的加工工艺来获得我们所需的性能不同但性能优异的众多合金材料。
利用传统合金的思想我们制备出了许多性能优良的各类合金材料，并被广泛应用于各行各业。传统合金思想是以一种金属元素为主，辅之其他元素。传统合金思想认为合金元素种类的增多会产生多相，恶化组织性能，由此带来组织分析的困难。这种思想虽然在移动程度上比较完善的系统的发展了传统合金种类，但是，如今以这种思想制备出的合金种类已经远远不能满足生活和生产过程中的需求。而如今，高熵合金的出现打破了传统思想，台湾学者叶均蔚与孙道中两人提出了多元合金，即高熵合金的理念，这大大拓展了人类对于合金的理解。高熵合金要求5种或5种以上的合金元素共同作用，每个主元含量在5%到35%之间，形成的固溶体热稳定性很高，许多方面都优于传统合金。这为合金的继续发展拓展了新的渠道。
1.2 高熵合金的研究背景
1.2.1 高熵合金的定义
几千年以来，我们对于合金系统的认识只是以一种主要元素为主，添加其他元素来改进材料的性能。我国是最早生产合金的国家之一，商朝的青铜工艺技术非常发达，春秋晚期的剑就是钢制品。剑是钢制品，其中钢以Fe元素为主元素，而铝合金则是以Al元素为主元素，为了提高钢材料的硬度，我们可以在其中加入适量的碳铝元素；为了提高铝合金的硬度，我们可以在其中加入一些其他的元素。不过，事事并非想象的那么简单，元素周期表的制做，为传统合金的发展提供了强有力的支持，但是随着时间的推移，利用数量有限的周期表元素和传统合金思想制备的合金种类已经远远不能满足社会发展的需求，所以我们必须寻求新的方式。如果我们不再局限于加一两种元素，而是想办法多加几种元素，就可以大大拓展合金的发展历程。比如把Al、Cu、Cr、Co、Fe这几种元素以等摩尔量混合成合金，以此为基础，台湾学者叶均蔚[1]对于合金颇有研究，在1995年提出他对于新合金的概念想法，并命名其为“高熵合金”。
1.2.2 高熵合金的制备方法
随着人类文明的不断发展，前人不断的探索和实践，能够总结出五种制备高熵合金的方法。同时传统合金的制备方法也被广泛地利用在了高熵合金的制备过程之中。下面是5种方法的具体内容：
(1)真空电弧熔炼法：在真空中，利用电能在电极和电极或者电极与被熔炼物料间产生电弧来熔炼金属的电热冶金方法。
(2)激光熔覆法：在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝后，在基层表面形成与冶金结合的添料熔覆层的方法。
(3)磁控溅射法：在高度真空中冲入适量氩气，在阴极和阳极间施加几百K直流电压,在镀膜室里产生磁控型异常辉光放电，使得氩气发生电离的方法。
(4)热喷涂技术：利用热源把喷涂材料加热到熔化或者半熔化的状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的技术。
(5)机械合金化：金属或者合金粉末在高能球磨机当中利用粉末颗粒与磨球间长时间碰撞，粉末颗粒在这过程之中不断的断裂，从而导致粉末颗粒当中原子扩散，进而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。
1.3 高熵合金形成的热力学与动力学
熵是热力学上表示一个系统中混乱程度的参数，熵值越大，系统的混乱度也越大。从热力学角度，自由能G和焓H，绝对温度T及S
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