cocrfenimnal高熵合金微观结构和性能研究(附件)【字数：13277】
摘 要摘 要研究表明，CoCrFeNiMnAl高熵合金为面心立方结构，塑性高但强度差。因此，为了获得具有良好综合性能的合金，主要途径是向CoCrFeNiMn高熵合金中添加额外的元素以达到强化合金的目的。因此，本文在CoCrFeNiMn高熵合金中添加Al元素，制备(CoCrFeNiMn)100-xAlx高熵合金。主要借助扫描电子显微镜分析(CoCrFeNiMn)100-xAlx高熵合金微观组织，采用XRD分析合金相结构，并通过压缩实验和硬度测试等分析方法，研究了(CoCrFeNiMn)100-xAlx高熵合金的性能特点。研究表明，随着Al含量的加入，CoCrFeNiMn高熵合金强度和硬度增大，Al元素的加入，可以促使(CoCrFeNiMn)100-xAlx合金中形成体心立方结构。当Al元素含量为10at%，韧性最好，当Al含量增加到20at%时，合金的塑性急剧降低，此时合金已呈现脆性断裂。热处理之后的合金组织，发现700℃的(CoCrFeNiMn)90Al10合金的硬度最大, 达到430HV。关键词高熵合金；微观组织；相结构；热处理；力学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 多主元高熵合金的概念 1
1.2 高熵合金的特点与性质 2
1.2.1 高熵合金的特点 2
1.2.2 高熵合金四大效应 2
1.3 高熵合金的研究现状 5
1.4 高熵合金的性能特点 7
1.4.1摩擦磨损和疲劳性能 7
1.4.2 高温性能和结构稳定性 8
1.4.3 抗腐蚀性 11
1.5 选题的内容及意义 11
第二章 实验材料和方法 13
2.1 前言 13
2.2 实验方案 13
2.2.1 实验材料的制备 13
2.2.2 实验材料的热处理 13
2.3 实验材料的处理 14
2.4 显微组织与结构分析 14
2.4.1 X 射线衍射分析 14
2.4.2 SEM 扫描及EDS 能谱分析 15
2.5 性能测试 16
2.5.1 硬度测试 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.5.2 压缩试验测试 16
第三章 （CoCrFeNiMn）100xAlx合金不同温度热处理下金相分析和组织性能 18
3.1 (CoCrFeNiMn)100xAlx铸态组织，相结构以及其性能 18
3.1.1 (CoCrFeNiMn)90Al10铸态组织及相结构 18
3.1.2 (CoCrFeNiMn)100xAlx (x=20,30,40)合金凝固组织及相组成 18
3.1.3 (CoCrFeNiMn)100xAlxXRD分析 20
3.1.4 (CoCrFeNiMn)100xAlx性能研究 21
3.2 (CoCrFeNiMn)90Al10 高熵合金热处理后合金相结构及性能分析 23
3.2.1 (CoCrFeNiMn)90Al10600℃热处理后的金相组织 23
3.2.2 (CoCrFeNiMn)90Al10700℃热处理后的金相组织 24
3.2.3 (CoCrFeNiMn)90Al10800℃热处理后的金相组织 25
3.2.4 (CoCrFeNiMn)90Al10900℃热处理后的金相组织 25
3.2.5 (CoCrFeNiMn)90Al10热处理后XRD分析 25
3.2.6 (CoCrFeNiMn)90Al10热处理性能分析 26
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1 多主元高熵合金的概念
随着工业水平的不断发展，人们对材料的要求越来越高，传统合金越来越难满足现在工业发展的需求。因此，研究学者在传统合金的基础上加入了越来越多的合金元素来满足不同领域对材料的要求。以铝合金为例[1]：1000系铝合金又称纯铝系，该系列铝合金虽然密度低，导电、导热性好，但强度低，难以在工程中应用；因此2000系铝合金诞生，该系列的铝合金是在AlCu二元合金的基础上添加一定量的Mg、Fe、Ni、Mn，合金的强度大大提高，但其耐蚀性较差；而3000系铝合金弥补了其耐蚀性，成为了一种耐蚀性良好的中等强度铝合金；随后的各系铝合金也各具特色，加入了Mn、Si、Zn等元素。随着加入多种合金元素的思维，一种新型合金孕育而生多主元高熵合金。
多主元高熵合金的概念是由我国台湾科学家叶均蔚及英国科学家B.Cantor在上世纪九十年代同时提出的，该合金跳出了传统合金的设计理念，由五种及以上的主要元素组成，且每种元素占总量的5%35%[23]。除了主要元素以外，高熵合金还可以包含少量的其它元素，其原子百分比低于5%。这种合金被命名为高熵合金是因为他们在液态或者无序的固溶体状态下拥有比传统合金高得多的混合熵，因此在高熵合金中熵对合金有很大的影响。从现有的物理冶金知识及二元/三元相图得知，拥有如此多种元素的合金将会产生多种相和金属间化合物并且使微观结构变得复杂，材料脆性增加[4]，这将使分析和设计变得困难，应用价值降低。然而与这些预测相反，实验结果表明高的混合熵能够促进合金中简单结构的固溶体的形成并降低了形成相的数量。这种高熵的特性对合金的发展和应用至关重要。
因为由多种组元构成，而且每一种组元都起到很重要的作用，所以高熵合金拥有杰出的性能，包括高的强度、高的硬度、良好的耐磨性、突出的高温强度、优良的耐蚀耐热性[5]。其中有些性能在传统的合金中难以获得，这就使得高熵合金在很多领域具有广阔的发展前景。研究表明，现有的30多种元素已经合成出了超过300多种高熵合金，形成了一个崭新的金属材料研究领域[6]。
传统合金以1种元素为主，其混合熵小于每摩尔0.693R，为了与传统合金有所区别，且充分发挥多主元高熵效应，一般定义高熵合金的主要元素数目n≥5。基于以上估算，如果将合金世界以混合熵来区分，传统的单主元合金属于低熵合金的范畴，中熵合金则介于高熵合金与低熵合金之间，其混合熵大于每摩尔0.693R而小于每摩尔1.61R，主要是指合金主要元素的个数为2~4，高熵合金的混合熵大于每摩尔1.61R。
1.2 高熵合金的特点与性质
1.2.1 高熵合金的特点
根据传统合金发展所总结出的经验，再结合吉布斯相律得出的结论认为，一个由n种元素组成的合金系统，能产生的平衡相的数目为n+1种[7]。但这种规律对高熵合金并不适用，高熵合金的显微结构倾向于形成简单FCC和BCC固溶体相，甚至会出现纳米相和非晶相，不倾向于形成金属间化合物相，这与吉布斯相律的结论有很大的差异。根据Gibbs自由能表达式[8]：
/ (11)
其中ΔHmix、ΔSmix分别表示固溶体的形成焓和形成熵，T表示温度。高熵合金的混合熵很高，要形成简单FCC或BCC固溶体结构需要低的自由能，所以高熵合金倾向于形成简单固溶体结构[9]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 多主元高熵合金的概念 1
1.2 高熵合金的特点与性质 2
1.2.1 高熵合金的特点 2
1.2.2 高熵合金四大效应 2
1.3 高熵合金的研究现状 5
1.4 高熵合金的性能特点 7
1.4.1摩擦磨损和疲劳性能 7
1.4.2 高温性能和结构稳定性 8
1.4.3 抗腐蚀性 11
1.5 选题的内容及意义 11
第二章 实验材料和方法 13
2.1 前言 13
2.2 实验方案 13
2.2.1 实验材料的制备 13
2.2.2 实验材料的热处理 13
2.3 实验材料的处理 14
2.4 显微组织与结构分析 14
2.4.1 X 射线衍射分析 14
2.4.2 SEM 扫描及EDS 能谱分析 15
2.5 性能测试 16
2.5.1 硬度测试 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.5.2 压缩试验测试 16
第三章 （CoCrFeNiMn）100xAlx合金不同温度热处理下金相分析和组织性能 18
3.1 (CoCrFeNiMn)100xAlx铸态组织，相结构以及其性能 18
3.1.1 (CoCrFeNiMn)90Al10铸态组织及相结构 18
3.1.2 (CoCrFeNiMn)100xAlx (x=20,30,40)合金凝固组织及相组成 18
3.1.3 (CoCrFeNiMn)100xAlxXRD分析 20
3.1.4 (CoCrFeNiMn)100xAlx性能研究 21
3.2 (CoCrFeNiMn)90Al10 高熵合金热处理后合金相结构及性能分析 23
3.2.1 (CoCrFeNiMn)90Al10600℃热处理后的金相组织 23
3.2.2 (CoCrFeNiMn)90Al10700℃热处理后的金相组织 24
3.2.3 (CoCrFeNiMn)90Al10800℃热处理后的金相组织 25
3.2.4 (CoCrFeNiMn)90Al10900℃热处理后的金相组织 25
3.2.5 (CoCrFeNiMn)90Al10热处理后XRD分析 25
3.2.6 (CoCrFeNiMn)90Al10热处理性能分析 26
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1 多主元高熵合金的概念
随着工业水平的不断发展，人们对材料的要求越来越高，传统合金越来越难满足现在工业发展的需求。因此，研究学者在传统合金的基础上加入了越来越多的合金元素来满足不同领域对材料的要求。以铝合金为例[1]：1000系铝合金又称纯铝系，该系列铝合金虽然密度低，导电、导热性好，但强度低，难以在工程中应用；因此2000系铝合金诞生，该系列的铝合金是在AlCu二元合金的基础上添加一定量的Mg、Fe、Ni、Mn，合金的强度大大提高，但其耐蚀性较差；而3000系铝合金弥补了其耐蚀性，成为了一种耐蚀性良好的中等强度铝合金；随后的各系铝合金也各具特色，加入了Mn、Si、Zn等元素。随着加入多种合金元素的思维，一种新型合金孕育而生多主元高熵合金。
多主元高熵合金的概念是由我国台湾科学家叶均蔚及英国科学家B.Cantor在上世纪九十年代同时提出的，该合金跳出了传统合金的设计理念，由五种及以上的主要元素组成，且每种元素占总量的5%35%[23]。除了主要元素以外，高熵合金还可以包含少量的其它元素，其原子百分比低于5%。这种合金被命名为高熵合金是因为他们在液态或者无序的固溶体状态下拥有比传统合金高得多的混合熵，因此在高熵合金中熵对合金有很大的影响。从现有的物理冶金知识及二元/三元相图得知，拥有如此多种元素的合金将会产生多种相和金属间化合物并且使微观结构变得复杂，材料脆性增加[4]，这将使分析和设计变得困难，应用价值降低。然而与这些预测相反，实验结果表明高的混合熵能够促进合金中简单结构的固溶体的形成并降低了形成相的数量。这种高熵的特性对合金的发展和应用至关重要。
因为由多种组元构成，而且每一种组元都起到很重要的作用，所以高熵合金拥有杰出的性能，包括高的强度、高的硬度、良好的耐磨性、突出的高温强度、优良的耐蚀耐热性[5]。其中有些性能在传统的合金中难以获得，这就使得高熵合金在很多领域具有广阔的发展前景。研究表明，现有的30多种元素已经合成出了超过300多种高熵合金，形成了一个崭新的金属材料研究领域[6]。
传统合金以1种元素为主，其混合熵小于每摩尔0.693R，为了与传统合金有所区别，且充分发挥多主元高熵效应，一般定义高熵合金的主要元素数目n≥5。基于以上估算，如果将合金世界以混合熵来区分，传统的单主元合金属于低熵合金的范畴，中熵合金则介于高熵合金与低熵合金之间，其混合熵大于每摩尔0.693R而小于每摩尔1.61R，主要是指合金主要元素的个数为2~4，高熵合金的混合熵大于每摩尔1.61R。
1.2 高熵合金的特点与性质
1.2.1 高熵合金的特点
根据传统合金发展所总结出的经验，再结合吉布斯相律得出的结论认为，一个由n种元素组成的合金系统，能产生的平衡相的数目为n+1种[7]。但这种规律对高熵合金并不适用，高熵合金的显微结构倾向于形成简单FCC和BCC固溶体相，甚至会出现纳米相和非晶相，不倾向于形成金属间化合物相，这与吉布斯相律的结论有很大的差异。根据Gibbs自由能表达式[8]：
/ (11)
其中ΔHmix、ΔSmix分别表示固溶体的形成焓和形成熵，T表示温度。高熵合金的混合熵很高，要形成简单FCC或BCC固溶体结构需要低的自由能，所以高熵合金倾向于形成简单固溶体结构[9]。
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