畢業(yè)設計（論文）-熱處理工藝對高熵合金力學性能影響規(guī)律.doc

畢業(yè)論文 熱處理工藝對高熵合金力學性能影響規(guī)律102018113機械工程系宮海斌學生姓名： 學號： 材料成型及控制工程系 部： 梁紅玉專 業(yè)： 指導教師： 二一四年六月 誠信聲明 本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。 本人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計任務書設計（論文）題目： 熱處理工藝對高熵合金力學性能影響規(guī)律 系部： 機械工程系 專業(yè)：材料成型及控制工程 學號： 102018113 學生：宮海斌 指導教師（含職稱）： 梁紅玉(教授) 專業(yè)負責人： 趙躍文 1設計（論文）的主要任務及目標本文主要研究熱處理工藝對AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的力學性能的影響規(guī)律。選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，其純度為99.5%以上，按摩爾比為1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金。探討熱處理工藝對合金性能的影響。 2設計（論文）的基本要求和內容 1.了解高熵合金研究的背景，目的及意義 2.了解熔煉高熵合金的過程以及其元素配比 3.通過實驗分析高熵合金相應的力學性能，找出其規(guī)律 4.通過熱處理工藝退火時間和溫度的不同設定研究高熵合金的力學性能。3主要參考文獻1葉均蔚，陳瑞凱，劉樹均.髙熵合金的發(fā)展概況J.工業(yè)材料雜志，2005，224:71-792Hsua US，Hunga UD，Yeh JW，Alloyingbehavior of iron，gold and siler in AlCoCrCuNi-based equimolar high-entropy alloysJ.Mate.Sci.Eng. A,2007 3Wang XF,Zhang Y Chen GL，et a1.Novel microstructure and properties of multi-component CoCrCuFeNiTix alloysJ.Intermetailics，2007，15:357-3594 進度安排 設計（論文）各階段名稱 起 止 日 期1了解高熵合金概況2014年3月2日2014年3月31日2掌握高熵合金力學性能的分析方法2014年4月1日2014年4月30日3將制備好的試件進行力學性能分析2014年5月1日2014年5月20日4實驗數(shù)據(jù)的整理總結，找出規(guī)律2014年5月21日2014年5月31日5整理資料，撰寫論文，準備答辯2014年6月1日2014年6月10日 熱處理工藝對高熵合金力學性能影響規(guī)律摘要：多主元高熵合金是近年來興起的一種新型合金材料，它的最大特點是突破了傳統(tǒng)合金只以一種或兩種金屬元素為主的設計框架，從而發(fā)展出一種全新的合金。多主元高熵合金是以五種或五種以上主要元素按等摩爾比或近等摩爾比經(jīng)熔煉、燒結或其他方法組合而成具有金屬特性的材料. 本文選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八種元素，采用真空電弧爐進行熔煉，采用維氏硬度試驗，摩擦磨損試驗探索熱處理工藝對高熵合金力學性能影響規(guī)律.關鍵詞：高熵合金，高熵效應，晶體結構Heat treatment process of high entropy alloy mechanical properties are studiedAbstract:Principal elements of highentropy alloys is only just emerging in recent years，which is a new type of material scienceIts biggest feature is the breakthrough of the traditional alloy that only one or two kinds of metal elements based design framework,develop a new alloy design conceptHigh-entropy alloys based on equimolar or nearly equimolar ratio five or more than five key elements，taking melting，sintering or other means to get a combination of the metallic materialThis article selects Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si of eight elements raw materials ,use vacuum arc furnace smelting,vickers hardness test, friction and wear best do treatment on mechanical，properties of high entropy alloy are studiedKEY WORD：high entropy alloys,effect of high entropy,crystalline structure 第 頁 共 頁 目錄1 緒論11.1概述11.2選題背景、研究的目的及意義11.3本課題研究主要內容22 文獻綜述42.1 高熵合金的簡介42.2多主元高熵合金的定義42.3 多主元效應52.3.1 熱力學上的高熵效應52.3.2 結構上的晶格畸變效應52.3.3 動力學上的遲滯擴散效應62.3.4 性能上的“雞尾酒”效應62.4 高熵合金的制備方法72.4.1 電弧爐熔煉法72.4.2 高頻感應爐加熱熔煉82.4.3 激光熔覆技術82.4.4 其他熔煉方法82.5 高熵合金的性能及特點92.6 高熵合金的應用領域103實驗方法及具體過程133.1試樣的制備133.1.1高熵合金材料的制備133.1.2 金屬材料的熔煉(電弧熔煉法)143.1.3 高熵合金熱處理143.1.4試樣的鑲嵌143.1.5 試樣的打磨153.2維氏硬度試驗163.2.1儀器介紹163.2.2實驗原理163.2.3試驗操作步驟173.2.4實驗注意事項183.2.5實驗內容183.2.6實驗分析結果213.3摩擦磨損試驗213.3.1試驗機機構介紹213.3.2試驗機的工作條件223.3.3實驗原理223.3.4實驗步驟233.3.5實驗內容243.3.6實驗分析結果27結論28參考文獻29致謝31第 頁 共 頁太原工業(yè)學院畢業(yè)設計1 緒論1.1概述合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。由于單個純金屬性能的局限性，合金正得到廣泛的應用，幾千年來，隨著合金體系的發(fā)展，開發(fā)使用的合金系已達到三十余種。目前的合金系統(tǒng)大多是以單一組元為基礎發(fā)展起來的，例如鋼鐵材料和鋁合金。20世紀50年代發(fā)展的二元基金屬間化合物也是以12種金屬為基礎的合金。非晶合金作為一種新型的合金具有優(yōu)良的特性和廣泛的應用潛能，所以其制備、發(fā)展和應用都得到了普遍關注，但仍就是以12種金屬為基礎來發(fā)展起來的。 多主元高熵合金是近年來興起的一種新型合金材料，它的最大特點是突破了傳統(tǒng)合金只以一種或兩種金屬元素為主的設計框架，從而發(fā)展出一種全新的合金。多主元高熵合金是以五種或五種以上主要元素按等摩爾比或近等摩爾比經(jīng)熔煉、燒結或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。主要元素的增多使合金產生高熵效應，晶體結構傾向于形成簡單體心或簡單面心結構，同時可能伴有晶間化合物生成，甚至在鑄態(tài)就會析出納米晶，從而起到固溶強化、沉淀強化和彌散強化效果，使高熵合金的性能比傳統(tǒng)合金具有較大優(yōu)勢。1.2選題背景、研究的目的及意義 材料、信息、能源被稱為現(xiàn)代科學技術的三大支柱，而材料又是一切技術發(fā)展的物質基礎。任何新的技術成就，莫不仰賴于各種相互匹配的新型材料，而新型材料中金屬材料是其重要的一個方面，例如航空、航天工業(yè)所需的高溫合金，核工業(yè)的核燃料、核反應堆材料，現(xiàn)代信息技術使用的硅、鍺等半導體材料、新型磁性材料等。由于這些新技術的發(fā)展又推動研制新的材料品種和發(fā)展新的冶金生產工藝和裝備。由此可見，金屬材料的開發(fā)和研究是科學技術的一個基本領域。多主元高熵合金是多種主要元素的合金，其中每種主要元素都具有較高的原子百分比，但是每種元素的原子百分數(shù)不能超過35%，也就是說這種合金是由多種元素集體起作用而便顯出其特性。為了區(qū)別于傳統(tǒng)合金，且充分發(fā)揮多元素搞混亂度效應，高熵合金的主要元素數(shù)n5。熵是熱力學上代表混亂度的一個參數(shù)，混亂度越大，熵就越大。搞混和熵不但能夠簡化多主元高熵合金的顯微結構，而且還能使顯微結構納米化甚至非晶化，這種與傳統(tǒng)合金迥異的顯微結構使高熵合金擁有獨特的機械性能、物理性能和和化學性能，進而使得相比于趨于飽和的傳統(tǒng)合金體系，高熵合金具有很大的應用潛力。傳統(tǒng)合金的發(fā)展已經(jīng)趨于飽和，突破以一種或者兩種元素為主的傳統(tǒng)發(fā)展框架已是冶金學家追求的一個目標。高熵合金就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。但至今，對高熵合金無論是理論還是試驗的研究都是非常少，人們對其合金化的機理以及其中涉及到的諸多科學問題基本上還沒有什么認識。實際上，現(xiàn)在出現(xiàn)的一些高熵合金體系也只是通過“雞尾酒”方法調配而成，還沒有科學系統(tǒng)的選擇合金元素的理論。另外對他們凝固后的組織形成以及各種物理化學性能都還沒有清晰的認識。高熵合金的研究具有前瞻性，具有學術研究及應用價值。由于應用潛力多元化，面對的產業(yè)也多元化。因此傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級級高科技產業(yè)的發(fā)展也將為高熵合金開辟過闊的發(fā)展空間，對傳統(tǒng)冶金和鋼鐵行業(yè)的提升具有重要意義。1.3本課題研究主要內容高熵合金的研究現(xiàn)在還處于初級階段，無論是從理論上，還是從具體實驗的設置及結果上，所出的成果還是很少。人們對高熵合金的合金化過程機理及其中涉及到的諸多科學問題，基本上還沒有很好的認識和解釋。對于怎樣選擇合金的元素種類，也沒有科學的依據(jù)可循。此外，對高熵合金凝固后的微觀組織結構、相的成分與合金的機械性能、物理性能和化學性能之間的關系，也還沒有找到其間的規(guī)律性。因此有待于開展這方面的研究工作，探索其組織和性能的形成機理及其影響規(guī)律。 本文主要采用具體途徑，采用熱處理工藝對AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的力學性能的影響。選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，其純度為99.5%以上，按摩爾比為1:1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金，用真空電弧爐熔鑄AlCrCoFeNiMoTiSi髙熵合金。研究合金鑄態(tài)與退火態(tài)的力學性能，以及熱處理工藝對八元合金的力學性能的影響，主要包括常溫時材料的壓縮強度、硬度、耐磨性。主要做以下幾方面的工作：（1） 選擇日常使用的金屬材料，通過熱處理工藝手段，研究其對合金力學性能的影響，比較不同熱處理后的AlCrCoFeNiMoTiSi 髙熵合金的力學性能，分析它們的力學性能優(yōu)劣。通過淬火時間上的變化來研究其對高熵合金力學性能的影響。（2） 利用洛氏硬度計測試高熵合金及其退火后的硬度；通過磨損試驗測量高熵合金及其退火后的耐磨損性能。通過以上實驗數(shù)據(jù)，分析熱處理工藝對高熵合金力學性能的影響。2 文獻綜述2.1 高熵合金的簡介高熵合金的提出是基于20世紀90年代大塊非晶合金的開發(fā)，人們都致力于尋找具有超高玻璃化形成能力的合金。有人認為非晶或玻璃的原子混亂度高或熵高，而高熵必然導致高的玻璃化形成能力，所以有人提出一個混亂理論。但是，后來有學者發(fā)現(xiàn)高熵和高的玻璃化形成能力并不一致，倒是發(fā)現(xiàn)有些高混合熵合金可以形成單相固溶體。對此，葉均蔚等認為這種固溶體是高混合熵穩(wěn)定的固溶體，因此命名為高熵合金。至于為什么高混合熵合金玻璃化形成能力并不高，張勇等統(tǒng)計了大量的高混合熵合金，從原子尺寸差，混合焓和混合熵角度作了系統(tǒng)分析，并用Adam-Gibbs方程作出了解釋。已有的研究報道發(fā)現(xiàn)，高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無法比擬的優(yōu)異性能，如高強度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等，從而成為在材料科學和凝聚態(tài)物理領域中繼大塊非晶之后一個新的研究熱點。目前，高熵合金的研究多是集中在鑄態(tài)下的性能測試，我們知道鑄態(tài)下的產品有著天然的性能缺陷(如由于熱脹冷縮造成的空洞、疏松等)，而對其熱處理、熱加工后的性能研究缺少有報道。有人曾預言，未來幾十年內，最有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c是大塊非晶、復合材料和高熵合金。2.2多主元高熵合金的定義多主元高熵合金由至少五種以上的主要元素構成，混合熵對于這類合金而言扮演了一個十分重要的角色。熵是熱力學上代表混亂度的一個參數(shù)，混亂度越大，熵就越大。根據(jù)Toltzmann關于熵變與系統(tǒng)混亂度關系的假設，n種等摩爾元素混合形成固溶體時的熵變（配位熵）=，當、和時，分別為、和。如果考慮原子震動組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)等的正貢獻，系統(tǒng)的熵變還要大。傳統(tǒng)合金以一種元素為主，其混合熵約小于每摩爾0.693R。為了于傳統(tǒng)合金有明顯的區(qū)別，且充分發(fā)揮多主元高亂度的的效應，一般定義高熵合金的主要元素數(shù)目n5?；谝陨瞎浪?，如果將合金世界以混合熵來區(qū)分，傳統(tǒng)合金屬于低熵合金的范疇，中熵合金則介于低熵合金與高熵合金之間，次范疇主要是指主元素的個數(shù)為24。2.3 多主元效應高熵合金之所以微觀結構上具有簡單結構的固溶體，不傾向于出現(xiàn)金屬間化合物，傾向于納米化，甚至非晶；性能上，具有高的強度、硬度與加工硬化性，耐高溫氧化與軟化，具有良好的耐磨與耐蝕性，電阻率高等優(yōu)于傳統(tǒng)合金的特征，是因為這些結構與性能特性都源于高熵合金具有多主元效應，具體表現(xiàn)如下幾個方面。2.3.1 熱力學上的高熵效應 當合金由兩種元素等原子比混合時其合金熔體的混合熵為069R，而由五種元素組成的等原子比合金熔體的混合熵已經(jīng)可以達到161R，面一般金屬合金的熔化熵為1R左右?？梢钥闯?，高熵合金的混合熵要明顯高于傳統(tǒng)金屬合金。同時從圖中也可以看出，當?shù)仍颖群辖鹑垠w的混合熵隨合金組元數(shù)的增加而增加，但是當組元數(shù)超過13以后，其合金熔體的混合熵增長的幅度將趨于平緩。 對高熵合金的研究表明，當合金由多種主要元素組成時，將產生高熵效應，形成具有體心立方或面心立方等簡單晶體結構的固溶體相。這種現(xiàn)象可以根據(jù)Gibbs自由能方程解釋： Gmix =Hmix-TSmix 當混合焓改變不大時，混和熵越高，Gibbs自由能越負，體系的相越穩(wěn)定，由此表明，具有高熵狀態(tài)的固溶體形態(tài)可能是高熵合金的穩(wěn)定態(tài)?；旌响嘏c混合焓處于相互競爭的地位，在高溫階段混合熵起主導作用。因此，隨機互溶狀態(tài)下高熵合金較大的混合熵就會相當程度地擴展端際固溶體或金屬間化合物的溶解范圍，從而形成簡單的多組元互溶相，這種情況在高溫階段尤為明顯。高的混合熵增進了元素間的兼容性，避免發(fā)生相分離而導致端際固溶體或金屬間化合物的生成。2.3.2 結構上的晶格畸變效應 高熵合金包含五種以上主要元素，因為各種元素的原子尺寸大小都不一樣，如圖2.1，包含多種元素的晶格嚴重畸變，產生強大的晶格畸變能，如果晶格畸變能太高，將無法保持晶體的構型，畸變的晶格將會坍塌而形成非晶相。晶格畸變大大影響合金的物理化學性能，如導致固溶強化，影響合金的導電性、磁性、導熱性等。圖2.1 六主元合金的原子排列 2.3.3 動力學上的遲滯擴散效應 相變取決于原子擴散，它需要組元之間的協(xié)同擴散才能達到不同相的平衡分離。這種必要的協(xié)同擴散，以及阻礙原子運動的晶格畸變，都會限制高熵合金中的有效擴散速率。在高熵合金的鑄造過程中，冷卻時的相分離在高溫區(qū)間通常被抑制從而延遲到低溫區(qū)間。2.3.4 性能上的“雞尾酒”效應 雞尾酒的英文名稱是Cocktail，是一種以蒸餾酒為酒基，再配以果汁、汽水、礦泉水、利口酒等輔助酒水，水果、奶油、冰淋、果凍、布丁及其他裝飾材料調制而成的色、香、味、形俱佳的藝術酒品。它兼具了酒與果汁的長處，而淘汰了自身的缺點。勾兌出效應，融合成優(yōu)勢這被人們稱之為“雞尾酒效應”。對于高熵合金出現(xiàn)的各種優(yōu)良的結構與性能，S.Ranganathan稱之為“Multimetallic Cocktails” ，也就是說這種新型的合金也有“雞尾酒效應”，因為合金包含有多種元素，各種元素之間相互作用，兼具了各種元素的基本特性，又淘汰了各自的缺點，呈現(xiàn)出一種復合效應?？梢酝ㄟ^添加或改變某些元素的含量，改善合金的微結構，加強其在合金中的特性，在不損害合金的性能的基礎上提升合金的某些性能。例如添加B元素可以提高合金的耐磨性與高溫壓縮性能；Co、Cu、Ni元素促進FCC結構的生成，而Al、Cr促進BCC結構的生成，影響合金的強度。2.4 高熵合金的制備方法2.4.1 電弧爐熔煉法 真空電弧如圖2.2所示，由爐體、電源、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)組成。爐體部分由爐殼、電極、結晶器及電極升降裝置構成。工作時，在電極(負極)和水冷銅結晶器(正極)形成的兩極之間，建立低電壓(2040V)大電流(若干kA)，產生電弧放電，靠電弧釋放出的熱量來熔化金屬。電爐一般是直流供電，一根電極。按照熔煉過程中電極是否消耗(熔化)，分成非自耗電極電弧爐熔煉和自耗電極電弧爐熔煉兩種。非自耗電弧爐，電極用鎢等高熔點材料制成，電弧熔煉時電極本身并不熔化，是永久性的。自耗電極電弧爐的電極采用被熔煉材料制成，如熔煉鈦時電極通常用海綿鈦壓制而成，在熔煉過程中電極本身被熔化。電極升降裝置隨著電極的不斷消耗使電極穩(wěn)定下降，以保持兩極的距離和電弧的穩(wěn)定。真空自耗電弧爐熔煉一般是在1.31.310-1Pa的爐內壓力下進行。電弧溫度可高達5000K。電極熔化的液滴通過弧區(qū)時，便會產生強烈的揮發(fā)、分解、化合等脫氣、去除雜質的凈化作用，然后滴入水冷銅結晶器中凝固成鑄錠。真空電弧熔煉不使用耐火材料，熔煉高熔點難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮和活性很高的鈦和鋯時可不受耐火材料的污染。爐料邊熔化邊凝固可消除縮孔、中心疏松和偏析等常見鑄錠缺陷，使加工性能優(yōu)良。 圖2.2真空電弧爐2.4.2 高頻感應爐加熱熔煉熔煉中要加入適量的凈化劑，用于凈化除去金屬液中氧化渣并對金屬液起保護作用，防止金屬在熔煉過程中過多的氧化。在澆注前應將金屬液靜止一段時間，以利雜質的浮起和金屬液成分的均勻，最后將凈化劑撈出，以防止在金屬液澆注過程中氧化渣難以浮起，凝固于合金中，影響金屬合金的性能。為了減少熔煉工程的金屬元素的氧化量，各種成分元素的添加應具有一定的順序，例如容易燒損金屬鋁，應待其他金屬熔化后再加入到熔煉坩堝中。2.4.3 激光熔覆技術 激光熔覆主要用于涂層的制備，激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此激光熔覆技術應用前景十分廣闊。另外，制備合金薄膜的方法還有電化學沉積和磁控濺射等方法，但這些方法所制備的薄膜厚度僅能夠達到微米尺度，難以發(fā)揮高熵合金力學性能方面的優(yōu)勢，且對基底材料有一定的要求。激光熔覆具有快速加熱和快速凝固的特點，所能制備的涂層厚度可達到毫米以上，目前激光熔覆技術已經(jīng)用于制備非晶涂層。2.4.4 其他熔煉方法 此外高熵合金還可以用機械合金化法和真空熔體快淬法等。機械合金化(MA)是一種非平衡態(tài)粉末固態(tài)合金化方法，其特點突出表現(xiàn)在材料制備過程中的非平衡性和強制性; 高熵合金薄帶的制備方法主要是真空熔體快淬法,其基本的工作原理是：將預先熔煉得到的鑄錠裝入石英管進行二次熔化，這個過程在封閉的保護氣氛或真空下進行，然后將融化的過熱液態(tài)合金噴射到按照設定轉速旋轉的水冷銅模上，合金被快速冷卻而形成薄帶。這種方法具有極高的冷速，可以使多種金屬及合金形成非晶態(tài)結構，所制備的非晶薄帶具有特殊的力學及物理性能。2.5 高熵合金的性能及特點鑒于高熵合金擁有特殊的理論依據(jù)和設計理念，因此高熵合金與傳統(tǒng)合金相比也擁有與眾不同的特點，下面進行總結：(1)高熵合金傾向于形成簡單相結構的BCC或FCC固溶體。根據(jù)吉布斯自由能公式所示： 式中T為熱力學溫度，Hmix為混合焓，Smix為混合熵，Gmix為吉布斯自由能。由公式很容易看出混合焓和混合熵之間的關系是相互對立、相互制約的，合金自由能便是它們結合的產物。簡單BCC和FCC結構固溶體的形成需要較低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，這就使得合金的自由能極低，合金最終傾向于形成簡單固溶體相。 (2)高熵合金僅在鑄態(tài)或是完全回火態(tài)下就會析出納米晶顆粒。這是因為高熵合金在熔煉時，各元素熔化后的原子混亂排列，凝固時這些原子很難進行擴散和再分配，這就有利于在合金基體內部形成納米晶顆粒。(3)高熵合金擁有極大的混亂度，特別是在高溫下，其混亂度將會變得更大。根據(jù)合金自由能越低，則合金系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定的原則，高熵合金在高溫下的穩(wěn)定性依然極高，固溶強化依然存在，因此合金擁有極高的高溫強度。研究表明，高熵合金在1000的高溫下進行長時間(約12小時)的熱處理后，硬度不降反升，與傳統(tǒng)合金形成了鮮明的對比，如下表2.1所示。 表2.1高熵合金與傳統(tǒng)合金回火比較AlloysHardness(HV) as-castHardness(HV) annealedCuTiVFeNiZr590600AlTiVFeNiZr800790MoTiVFeNiZrCo740760CuTiVFeNiZrCo630620AlTiVFeNiZrCo790800MoTiVFeNiZrCo790790CuTiVFeNiZrCoCr680680AlTiVFeNiZrCoCr780890MoTiVFeNiZrCoCr850850316 Stainless Steel18915517-1P Hstainless Steel410362Hasetlloy C236280Stellite 6413494Ti-6Al-4V412341 (4)高熵合金以簡單BCC和FCC結構固溶體存在時，由于組成元素之間在原子半徑、晶體結構等方面存在差異，高熵合金的固溶強化會產生強效，導致位錯在合金內部難以進行，因此合金硬度和強度都較高：而當高熵合金以非晶結構存在時，更是不存在位錯，因此合金性能更強。(5) 高熵合金的主要組成元素至少5種以上，合金的晶格扭曲情況十分嚴重，因此合金的物理、化學性能以及機械性能也將會產生極大的變化。(6)高熵合金中總有一些元素，如Al元素，會使合金產生致密氧化物，而高熵合金通常都具有納米晶、非晶、單相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蝕性能比傳統(tǒng)合金更為優(yōu)秀。2.6 高熵合金的應用領域1. 高速切削用刀具高熵合金具有較高的硬度和耐磨性。多數(shù)高熵合金的鑄態(tài)組織硬度為600900HV，相當于或者大于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化后的硬度；改變合金元素的含量，還可進一步提高合金的硬度。而且高熵合金還通常表現(xiàn)出很高的耐熱性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在7001000時效處理72h后，合金硬度非但沒有下降，反而有不同程度的提升普通高速鋼，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工溫度在600以內，溫度再高，刀具會明顯鈍化。此外，高速鋼刃具在獲得高硬度、高耐磨性的同時，犧牲了鋼材的塑性、韌性。鋼材塑性、韌性較差，則刀具常常出現(xiàn)折斷、崩刃等失效形式。而高熵合金在獲得高硬度的同時，具有較好的塑性、韌性。例如，F(xiàn)eCoNiCrCuAl0.5經(jīng)50%壓下率冷壓（即冷壓合金時的塑性變形量達到50）后，非但沒有出現(xiàn)任何裂紋，反而在枝晶內部出現(xiàn)了納米結構，大小約數(shù)納米到數(shù)十納米，合金硬度得到進一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32%13以內的壓下率內冷壓，也表現(xiàn)出非常好的延展性。這么大比例的壓下率，對于高速鋼來說是不可想象的。故而高熵合金應用于高速切削刀具的制造具有明顯的優(yōu)勢。此外，磁控濺射法制備高熵合金鍍膜的成功，可以在普通鋼制刀具表面鍍上一層高熵合金薄膜，鍍膜厚度在2.5m以內。這樣一來，既可以獲得良好的切削加工性能，又能節(jié)約成本。2.各類工、模具高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高強度及優(yōu)良的耐高溫性能、耐蝕性，使之非常適合制備各類工、模具，尤其是擠壓模和塑料模。例如，AlCoCrFeNiTi1.5的抗壓強度高達2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高達1100的優(yōu)異抗氧化性能14。普通模具鋼則無法兼顧耐磨性、耐蝕性、耐高溫性及良好的塑性。3.高爾夫球頭高硬度、高耐磨性和較低的彈性模量，使高熵合金非常適合制作高爾夫球頭打擊面。高熵合金制成的高爾夫球頭，可以在保證球頭打擊面具有較長使用壽命的同時，將球擊打得更遠，從而提升產品檔次，增加產品附加值。4.超高大樓的耐火骨架 美國“911”事件中，雙塔的整體坍塌很大程度上是因為大樓骨架鋼筋受熱后強度急劇下降，從而無法負荷大樓重量所致。隨著土地資源的緊缺，國內外修建超高大樓的案例將越來越多，因而超高大樓的耐火安全性正引起人們越來越多的重視。高熵合金具有極高的抗壓強度和優(yōu)良的耐高溫性能，用做超高大樓的耐火骨架，可以使大樓在發(fā)生意外火災而導致樓體溫度較高時保持原有的承重能力，保證大樓的安全，減少人員和財產的損失。5.化學工程、船舶的耐蝕高強度材料 高熵合金的耐蝕性優(yōu)異。室溫條件下，高熵合金Cu0.5NiAlCoCrFeSi在1mol/L的NaCl和0.5mol/L的H2SO4溶液中的耐蝕性比304不銹鋼（相當于我國鋼號中的OCr18Ni9）還要好；CuAlNiCrTiSi合金在5%的HCl溶液中比304不銹鋼更加耐蝕，在10%的NaOH溶液中也遠比A309鋁合金耐蝕。因此，高熵合金可廣泛用于耐高壓、耐腐蝕化工容器及船舶上的高強度耐蝕件。6.渦輪葉片 高熵合金良好的塑性使其易于制成渦輪葉片，而其優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性、高加工硬化率及耐高溫性能，可保證渦輪葉片長期、穩(wěn)定地工作，減少葉片的磨損、腐蝕失效。7.電子器件、通訊領域高熵合金具有軟磁性及高電阻率，因而在高頻通訊器件中有很大的應用潛力1?？捎靡灾谱鞲哳l變壓器、馬達的磁芯、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光碟、以及喇叭等。8.其它高熵合金集眾多優(yōu)異性能于一身，可以應用的工業(yè)領域非常廣闊。除了上面提到的領域外，高熵合金還可用作焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料等。 高熵合金的非晶形成能力較強，某些高熵合金能在鑄態(tài)組織中形成非晶相。而傳統(tǒng)合金要獲得非晶組織，需要極大的冷卻速度將液態(tài)原子無規(guī)則分布的組織保留到室溫。非晶態(tài)金屬的研究是近年來才興起的，由于結構中無位錯，具有很高的強度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性及特殊的磁學性能等，應用也極為廣泛。制備非晶態(tài)高熵合金無疑將進一步擴大高熵合金的應用領域。高熵合金的應用實例如圖2.3所示。(a)鉆頭；(b)高熵合金涂層的鍛壓模；(C)高爾夫球頭；(d)高熵合金涂層的禍輪。圖2.3 高熵合金的應用實例3實驗方法及具體過程3.1試樣的制備3.1.1高熵合金材料的制備本次選用A1、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti和Si八種元素,所選原材料均為純度達到99.5%以上金屬材料，查找各元素的相對原子質量，按比例稱取元素，要求高熵合金粉末總重在3050克之間。其中Cr、Co、Fe、Ni、Ti五種金屬由于都是塊狀，硬度比較大，采用線切割手段進行切割稱取所需質量，Al由于硬度比較小采用鋸條進行切割，Mo和Si為粉末狀的，配料較為容易。 表3.1 高熵合金涂層材料成分元素AlCrCoFeNiMoTiSi摩爾質量(gmol)26.9852.0058.9355.8558.6954.9447.8728.09摩爾數(shù)(mol)0.1250.1250.1250.1250.1250.1250.093750.03125稱重(g)3.376.57.376.987.346.874.490.88 表 3.2 為高熵合金組元元素的基本性質元素晶體結構原半徑()熔點(K)沸點(K)晶格常數(shù)()AlFCC1.82933.2527404.049CrBCC1.25213029452.91CoHexagonal1.2517683201a=2.500,b=4.069FeBCC1.24180931352.866NiFCC1.25172631873.524TiHexagonal1.4519433562a=2.951,b=4.679Si金剛石型143MoBCC2.01261746123.15本論文主要研究高熵合金系列為AlCrCoFeNiMoTi（0.75）Si（0.25）。通過計算并且利用電子天平配置出高熵合金所需量。3.1.2 金屬材料的熔煉(電弧熔煉法)本次采用真空電弧進行熔煉。工作時，在電極(負極)和水冷銅結晶器(正極)形成的兩極之間，建立低電壓(2040V)大電流(若干kA)，產生電弧放電，靠電弧釋放出的熱量來熔化金屬。電爐一般是直流供電，一根電極。按照熔煉過程中電極是否消耗(熔化)，分成非自耗電極電弧爐熔煉和自耗電極電弧爐熔煉兩種。非自耗電弧爐，電極用鎢等高熔點材料制成，電弧熔煉時電極本身并不熔化，永久性的。自耗電極電弧爐的電極采用被熔煉材料制成，如熔煉鈦時電極通常用海綿鈦壓制而成，在熔煉過程中電極本身被熔化。電極升降裝置隨著電極的不斷消耗使電極穩(wěn)定下降，以保持兩極的距離和電弧的穩(wěn)定。真空自耗電弧爐熔煉一般是在1.31.310-1Pa的爐內壓力下進行。電弧溫度可高達5000K。電極熔化的液滴通過弧區(qū)時，便會產生強烈的揮發(fā)、分解、化合等脫氣、去除雜質的凈化作用，然后滴入水冷銅結晶器中凝固成鑄錠。真空電弧熔煉不使用耐火材料，熔煉高熔點難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮和活性很高的鈦和鋯時可不受耐火材料的污染。爐料邊熔化邊凝固可消除縮孔、中心疏松和偏析等常見鑄錠缺陷，使加工性能優(yōu)良。3.1.3 高熵合金熱處理 本次設計需要比較熱處理前后對高熵合金力學性能的影響規(guī)律，所以需要準備三塊材料，第一塊材料不進行任何處理作為對比材料，其它兩塊分別放在兩個加熱爐中，溫度都選定為800，時間上一個試樣進行8小時熱處理，另一個試樣進行10小時熱處理，時間達到后關閉加熱爐開關，但是兩個試樣都必須隨爐冷卻。3.1.4試樣的鑲嵌1.儀器介紹ZXQ-1自動金相巖相試樣鑲嵌機，是樣件鑲嵌、磨拋前一道工序，對于微小并不易手拿或不規(guī)則的金相巖相試樣進行鑲嵌。經(jīng)鑲嵌后便于對試樣進行磨拋操作也有利于在金相顯微鏡下正常地觀察材料的組織。本機能自動加溫、加壓，到了壓制成形后自動停機卸壓，再按一下按鈕自動壓制樣件就自動上來，即可取件。注：只限于熱固性材料（如電脲醛塑料粉、膠木粉之類），溫度已調整和自動。2.金相試樣鑲嵌機操作步驟 （1)先將定時器指向ON位置，打開電源開關，將鑲嵌溫度設定在140； （2）順時針轉到手輪，將下模升起，將試樣放在下模上，再逆時針轉動手輪，將下模下降到極限位置； （3）在鋼模套腔內加入熱固性塑料，放上上模； (4)合上蓋板，然后轉動手輪，試下模上升到壓力指示燈亮，如在加熱過程中指示燈滅，請在繼續(xù)加熱到燈亮； (5)加熱、恒溫15到20分鐘，使試樣成型，然后逆時針轉動手輪使下模下降； (6)松開旋鈕和蓋板，在順時針轉動手輪，頂出試樣。 圖3.1 ZXQ-1自動金相巖相試樣鑲嵌機3.1.5 試樣的打磨 用不同型號的砂紙打磨基體表面，放在煤油中清洗，最后再用電吹風機將基體表面徹底吹干。3.2維氏硬度試驗3.2.1儀器介紹 HV-1000型維氏硬度計是光機電一體化的高新技術產品，該機器造型新穎，具有良好的可靠性，可操作性和直觀性，是采用精密機械技術和光電技術的新型維氏和努普硬度測試儀器。該機采用計算機軟件編程，光學測量系統(tǒng)。通過軟鍵輸入，可選擇維氏和努氏硬度的測量、能調節(jié)測量光源的強弱，能選擇保荷時間，在LCD顯示屏上能顯示試驗方法、試驗力，通過面板輸入測量壓痕對角線長度、屏幕直接讀出硬度值，簡便了查表的繁瑣。使用方便，測量精度高。硬度計適用于測定微小、薄形、表面滲鍍層試件的維氏硬度和測定玻璃、陶瓷、瑪瑙、人造寶石等較脆而又硬材料的努普硬度。是科研機構、企業(yè)及質檢部門進行研究和檢測的理想的硬度測試儀器。 圖3.2 HV-1000型維氏硬度計3.2.2實驗原理 維氏硬度試驗原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是壓頭用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對面的夾角為136，底面為正方形，如圖3-1所示。 維氏硬度試驗基本原理是將兩相對面夾角為136（兩相對棱夾角為148642）的金剛石正四棱錐壓頭，在一定的試驗力作用下壓入試樣表面，保持一定的時間后，卸除試驗力，測量壓痕對角線長度，如圖3-2所示，以試驗力除以壓痕錐形表面積所得的商表示維氏硬度值。圖3.3 維氏金剛石棱錐壓頭-圖 圖 3.4 維氏硬度試驗基本原理圖 維氏硬度的計算公式為： 式中： HV 維氏硬度值（kgf/ mm2） F 試驗力（kgf） S 壓痕錐形表面積（mm2） d 壓痕對角線平均長度（mm） 壓頭兩相對面夾角（136） 當試驗力的單位為N時，維氏硬度值可由下面的公式得出： 3.2.3試驗操作步驟1據(jù)試樣材料及預計硬度范圍，選擇壓頭類型和初、主載荷。2根據(jù)試樣形狀和大小，選擇適宜工作臺，將試樣平穩(wěn)地放在工作臺上。3順時針方向轉動工作臺升降手輪，將試樣與壓頭緩慢接觸。4加主載荷應在48秒內完成。待指針停止轉動后，再將主載荷卸除。5逆時針方向旋轉手輪，降下工作臺，取下試樣，或移動試樣選擇新的部位,繼續(xù)進行實驗。3.2.4實驗注意事項1.在使用本儀器前應仔細閱讀使用說明書，詳細了解儀器操作步驟及使用注意事項，避免由于使用不當而造成儀器損壞。2.儀器電器元件、開關、插座安裝位置嚴禁自行拆裝，如果擅自拆裝將可能出錯而引發(fā)安全事故。3. 本儀器試驗力在加載或試驗力未卸除的情況下，嚴禁轉動壓頭，否則會造成儀器損壞。只能等試驗力卸除后主屏幕回到操作界面時，才能轉動壓頭。4.儀器在測量狀態(tài)下，請不要施加試驗力，如不小心按啟動鍵，這時不能轉動壓頭，只有等待試驗力施加完畢后，才能轉動壓頭。5.金剛石壓頭（1) 壓頭和壓頭軸是儀器非常重要的部分，因此在操作時要十分小心不能觸及壓頭。（2) 為了保證測試精度，壓頭應保證清潔，當沾上了油污或灰塵時可用脫脂綿沾上酒精（工業(yè)用）壓頭頂尖處小心輕擦干凈。6.目鏡（1)由于各人眼睛的視差，觀察目鏡視場內的刻線可能模糊，因此觀察者換人時，應先微量轉動目鏡上的眼罩，使觀察到視場內的刻線清晰。（2)目鏡插在目鏡管內，要注意應插到底，不能留有間隙，否則會影響到測量的準確度，當測量壓痕對角線時，須測量其頂點，然后轉90再測量另一對頂點。3.2.5實驗內容本次試驗為測量高熵合金的硬度試驗，此高熵合金所用的元素Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩爾量比值為1:1:1:1:1:1:0.75:0.25，測試3個試樣的硬度。試樣經(jīng)過打磨、拋光，在數(shù)字顯微硬度儀進行顯微硬度的測量，載荷為200gf(1.96N)，加載時間為 10s。1、 未經(jīng)過熱處理的試件硬度 試樣1測試零件名稱(Name of the hardware in the test):測試零件名稱測試時間(Test time):2014-05-21 17:13:10試樣號(Sample No.): 儀器號(Insturment No.):MICRO-586試驗力(Test Force):200 力保持時間(Duration of force):10試驗次數(shù)(Test Times):4 顯微鏡倍率(Microscope Magnification):40壓頭鋼球直徑(Press steel ball diameter):2.5試驗值(Test Value): 第1次(1 times): d1=32.470 d2=30.176 HV=403.01 HB=394.34 第2次(2 times): d1=28.411 d2=30.176 HV=457.20 HB=443.20 第3次(3 times): d1=27.529 d2=28.058 HV=505.11 HB=484.60 第4次(4 times): d1=28.411 d2=27.529 HV=499.07 HB=479.31平均值(Average Vlaue):466.10 極差(Range):102.10最大值(Max. Vlaue):505.11 分散度(Disperse): 21.91%最小值(Min. Vlaue):403.01 2、經(jīng)過熱處理8小時的試件硬度 試樣2測試零件名稱(Name of the hardware in the test):測試零件名稱測試時間(Test time):2014-05-24 16:18:01試樣號(Sample No.): 儀器號(Insturment No.):MICRO-586試驗力(Test Force):200 力保持時間(Duration of force):10試驗次數(shù)(Test Times):5 顯微鏡倍率(Microscope Magnification):40壓頭鋼球直徑(Press steel ball diameter):2.5試驗值(Test Value): 第1次(1 times): d1=32.470 d2=29.647 HV=409.47 HB=399.73 第2次(2 times): d1=25.411 d2=24.529 HV=619.82 HB=0.00 第3次(3 times): d1=26.647 d2=22.941 HV=628.30 HB=0.00 第4次(4 times): d1=25.941 d2=25.058 HV=595.38 HB=0.00 第5次(5 times): d1=26.823 d2=27.882 HV=520.71 HB=497.25