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摘要高熵合金是一种多主元的新型金属材料，具有特殊的性质和广阔的应用前景。但其体系繁多，对成分的选择造成困难。Al0.3CoCrCu0.5FeNi高熵合金在合适的热处理条件下具备单一面心立方（fcc）结构，是理想的研究突破口。 本毕业设计利用差示扫描量热法（DSC）对经高压扭转（HPT）处理形成的纳米晶Al0.3CoCrCu0.5FeNi高熵合金进行热分析，并根据其DSC曲线选择不同的温度进行等时退火。通过硬度测试、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子能谱（EDS）等表征手段对退火试样进行力学性能和组织结构的表征。研究表明，具有纳米晶组织的Al0.3CoCrCu0.5FeNi 高熵合金在退火过程中，fcc 基体会析出富 Ni、Al 的有序体心立方相（bcc B2）和富Cr的σ相，使材料硬度随着退火温度的升高先升高后快速下降。 30247
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毕业论文关键词 高熵合金 HPT 硬度 显微结构 热稳定性 析出相
Title Thermal stability and annealing kinetics of a nanostructured high-entropy alloy Al0.3CoCrCu0.5FeNi after severe plastic deformation Abstract High-entropy alloys （HEAs） is a new class of metallic materials with multiple principal elements. It possesses special properties as well as wide application prospect. But the wide range of available composition makes it difficult to choose which composition to study. Al0.3CoCrCu0.5FeNi HEA consists of single FCC structure under specific heat-treatment condition and would be an ideal study sally port. In this dissertation, by taking advantage of differential scanning calorimetry (DSC), the author analyzed the thermal characterization of high-pressure torsion (HPT) processed nanocrystalline high-entropy-alloys Al0.3CoCrCu0.5FeNi and chose proper temperatures to conduct isochronal annealing experiment according to the DSC curve. Then, By using microhardness test, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive spectrometer(EDS), mechanical properties and microstructure of annealed samples were investigated. The results suggested that two types of precipitate, one is B2 structure phase where Ni and Al concentrated and the other is σ phase where Cr is concentrated, will precipitate from disordered fcc matrix of nanostructured high-entropy alloy Al0.3CoCrCu0.5FeNi in the process of annealing, which will result in the evolution of microhardness (increased first and then decreased quickly as annealing temperature arise).
Keywords high-entropy alloys HPT hardness microstructure thermal stability precipitation
目 次
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外高熵合金的研究近况 6
1.3 研究的问题及意义 6
2 实验材料与方法 7
2.1 实验材料 7
2.2 热稳定性的研究方法 9
3 实验 11
3.1 实验操作 11
3.2 主要实验仪器与试剂 12
4 实验结果的分析与讨论 13
4.1 原始试样的显微组织与结构 13
4.2 利用差示扫描量热法进行热分析 14
4.3 炉冷 HPT 试样与水淬 HPT 试样在不同温度退火后的硬度变化 15
4.4 对退火试样的形貌与结构的表征 17
4.5 结果讨论 24
结论 26
致谢 28
参考文献29
1 绪论 1.1 引言 1.1.1 纳米材料的基本概念及纳米材料的制备 纳米材料是在 20 世纪 80 年代才开始被人类所研究的一种新型材料。德国的 H. Gleiter教授提出了纳米材料的概念并首次制备出了纳米晶体[1]。纳米材料是指三文空间尺寸中至少有一文处于纳米尺度范围(1-100nm)或以它们为基本单元构成的材料[2]。纳米材料的出现引起了全世界对纳米材料研究的一股热潮。纳米材料具有传统材料没有的量子效应、表面效应、小尺寸效应及界面效应这四大效应，因此表现出一系列优异的力、电、磁、光学和化学性能[3]。在航天、电子、冶金、化工、生物和医学领域展现出广阔的应用前景。纳米材料的制备方法有许多，主要可以分为两种：一种为自上而下的方法，利用机械工艺等将粗晶材料“粉碎”然后得到纳米晶粒；另外一种为自下而上的方法，控制、组装原子或分子得到纳米材料。制备纳米材料的具体方法有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶法和剧烈塑性变形(SPD)等。 1.1.2 高熵合金的基本概念和基本性质 合金是由 n(n≥2)种金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料[4]。迄今为止，人们已经发展出了30 多种合金体系。传统的合金通常是往一种溶剂元素中加入少量的其他元素来改善其性能，从名称中就可以看出来(如铁基、铝基、镍基合金等)。尽管这样的合金设计模式也产生了大量推动人类文明的合金材料，但这种模式仍然大大限制了合金成分设计的自由度，从而限制了拥有特殊结构性能与应用的合金的发展。换言之，我们之前所探索的只不过是相图中的边缘位置，而相图中间仍有大量的空白位置还未被我们研究与开发。 叶均蔚教授提出的多主元合金的概念，改变了大家对合金的看法。多主元合金由多种主要元素组成,其元素种类一般在五种或五种以上,每种主元素的原子百分比含量都应在 35%以下[5]。显然，多主元合金就是相图中间的空白区域。叶均蔚教授又把这类合金命名为高熵合金，因为众所周知，对于二元合金，在两种组元随机均匀混合的情况下（即形成无需固溶体），热力学中组态熵的计算公式为：ΔSconf =﹣R(XA ln XA+XB ln XB)，根据该公式，只有在两种元素是等量时熵值达到最大值。并且在等物质的量的情况下，随着元素种类数量的增加，组态熵也会增加。