VCoNi中熵合金力學(xué)性能的溫度依賴性研究*

丁晨陽,施 洋,張長軍,馮穎穎,孫傲然,孟令坤,馬文君

(1. 長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710061； 2. 西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

0 引 言

高熵合金是一種多組元構(gòu)成的合金，各種組元之間按等原子比或者接近等原子比組成[1-3]。由多組元構(gòu)成的單相高熵合金擁有優(yōu)越的力學(xué)性能[4-6]，例如高硬度，良好的高溫抗軟化性能，高的低溫韌性等。高熵合金可以形成FCC、BCC、HCP結(jié)構(gòu)的單相合金或者多相組合的結(jié)構(gòu)。相比較其他結(jié)構(gòu)的高熵合金，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)的高熵合金由于滑移系多[7-9]，具有良好的塑性和斷裂韌性，有利于加工和成形等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為高熵合金的研究焦點(diǎn)[10-13]。同傳統(tǒng)材料一樣，高熵合金的首要的任務(wù)是需要以便捷和低廉的方式進(jìn)行性能強(qiáng)化[14]。近些年來，科學(xué)家致力于通過大變形、成分設(shè)計(jì)等途徑來制備出性能更優(yōu)的高熵合金[15-16]。有研究學(xué)者利用嚴(yán)重的晶格畸變設(shè)計(jì)了一種簡單的VCoNi等原子中熵合金[17]，該合金具有近1 GPa的屈服強(qiáng)度和良好的延展性，優(yōu)于傳統(tǒng)的固溶合金，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的最優(yōu)匹配。但是目前對該合金力學(xué)性能的研究僅涉及室溫。

由于服役環(huán)境不同，不同的高(中)熵合金在各個(gè)溫度下性能的波動(dòng)也引起了許多科學(xué)家的關(guān)注[18-21]需要注意的是，以往所報(bào)道的材料對溫度的依懶性研究的合金均未涉及到VCoNi中熵合金。該合金在不同溫度下，特別在77～773 K溫度范圍內(nèi)，變形機(jī)制尚不明確。本文采用大變形軋制以及淬火工藝制備VCoNi，并通過不同溫度下的拉伸試驗(yàn)，研究了溫度對VCoNi中熵合金變形行為的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

試驗(yàn)采用高純度的V、Co、Ni顆粒為原料(純度≥99.5%)，表1為按照VCoNi的原子比計(jì)算出各元素的所需質(zhì)量，進(jìn)而稱取、配比。使用非自耗型真空熔煉爐進(jìn)行VCoNi中熵合金的熔煉。為保證成分均勻，至少反復(fù)熔煉4次并進(jìn)行電磁攪拌(成分均勻)。熔煉后鑄錠尺寸為100 mm×20 mm×10 mm。

表1 VCoNi各元素所需質(zhì)量(g)

將熔煉后的鑄錠使用小型同步軋機(jī)進(jìn)行變形量為85%的軋制，將軋制后的試樣1 100 ℃退火半小時(shí)、水淬。將熱處理之后的試樣用電火花線切割為“狗骨頭”狀拉伸試樣，試樣測試段尺寸為10 mm×2.5 mm×1.3 mm。樣品分別在77、293、573以及773K的溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。使用萬測-ETM105D萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同溫度條件拉伸試驗(yàn)，為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，每組參數(shù)重復(fù)三次試驗(yàn)；使用日本島津X射線衍射儀(XRD-7000S)對不同溫度拉伸試樣進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，其中掃描角度為20°～95°，掃描速度為3°/min；使用JSM-6700F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品微觀組織形貌并統(tǒng)計(jì)平均晶粒尺寸；采用JEF-2100型透射電子顯微鏡(TEM)對拉伸樣品進(jìn)行微觀組織表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的初始組織表征

圖2.1為VCoNi經(jīng)軋制后的微觀組織EBSD反極圖及XRD衍射圖譜。從圖1(a)中可以看出，樣品的微觀組織主要由孿晶和等軸晶組成，利用EBSD線型截距法統(tǒng)計(jì)了樣品的平均晶粒尺寸為10.26 μm；此外，圖1(b)的XRD衍射圖譜表明，合金具有FCC結(jié)構(gòu)的特征峰譜，該合金晶體結(jié)構(gòu)為單相FCC。

圖1 VCoNi合金的：(a)EBSD反極圖，(b)XRD衍射圖譜Fig 1 Microstructure of VCoNi alloy: (a) IPF; (b) XRD pattern

2.2 不同溫度下VCoNi中熵合金的變形行為

圖2為VCoNi合金在77～773 K下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(拉伸速率為0.25 mm/min)，相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)總結(jié)于表2。

圖2 VCoNi合金在77～773K的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig 2 Stress-strain curve of VCoNi alloy at 77-773 K

可以看出，在77 K時(shí)，合金的塑性和強(qiáng)度均達(dá)到最大值。試驗(yàn)溫度自室溫上升到573 K，材料的強(qiáng)度和塑性基本穩(wěn)定。在293 K，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上首次出現(xiàn)了鋸齒現(xiàn)象(急劇流變)，鋸齒流變效應(yīng)多出現(xiàn)于不銹鋼中，在中(高)熵合金中還未曾提及。隨著溫度的升高，延伸率沒有大的起伏，表現(xiàn)出了該材料的塑性不失穩(wěn)特性，該特性在中(高)熵合金中還鮮有報(bào)道。當(dāng)溫度達(dá)到773 K時(shí)，鋸齒現(xiàn)象加強(qiáng)，且各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)有了明顯的下降，表明該材料在高溫下性能及其不穩(wěn)定，這為該材料在高溫下的應(yīng)用提供了指導(dǎo)作用。

表2 VCoNi合金在77～773 K的力學(xué)指標(biāo)

2.3 不同溫度拉伸后VCoNi中熵合金的XRD衍射分析

圖3為不同試驗(yàn)溫度下VCoNi的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，該材料在低溫(77 K)時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)仍然保持FCC結(jié)構(gòu)，無其他新相的析出； 573 K時(shí)，合金的衍射圖譜所對應(yīng)的特征峰發(fā)生了改變，在FCC結(jié)構(gòu)的(100)附近，有新的峰譜出現(xiàn)，該峰譜的出現(xiàn)與其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上所出現(xiàn)的鋸齒流變所對應(yīng)。因此該新相的研究，對合金的力學(xué)性能至關(guān)重要。

圖3 不同試驗(yàn)溫度下VCoNi的XRD衍射圖譜Fig 3 XRD patterns of VCoNi at different test temperatures

為證實(shí)實(shí)驗(yàn)中析出相的確是在拉伸過程中析出，另模擬573 K高溫拉伸的溫度和時(shí)間在馬弗爐中對試樣進(jìn)行同等條件熱處理，XRD對比證實(shí)，同等熱處理?xiàng)l件下VCoNi合金中沒有新相的生成，確認(rèn)了該相的產(chǎn)生是溫度和應(yīng)力的共同作用，而非溫度的單獨(dú)作用。

2.4 不同溫度拉伸后VCoNi中熵合金的TEM分析

結(jié)合上述的力學(xué)數(shù)據(jù)以及XRD圖譜，選定77 K的拉伸試樣和573 K的拉伸試樣進(jìn)行TEM分析。

如圖4所示，在77 K拉伸試樣的TEM圖片中發(fā)現(xiàn)了大量的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)纏繞和孿晶整齊排列分布。孿晶的出現(xiàn)降低了位錯(cuò)滑移的平均自由程，阻礙位錯(cuò)滑移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生“動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)”，同時(shí)提高了該合金的應(yīng)變強(qiáng)化能力，因此在低溫下，VCoNi中熵合金的強(qiáng)度和塑性同時(shí)得到了提升。

圖4 77 K試樣的TEM圖Fig 4 TEM images of 77 K sample

如圖5所示，573 K拉伸環(huán)境下的合金，在位錯(cuò)與孿晶的交界處附近，有尺寸一致、分布均勻的新相析出(圖中用紅圈標(biāo)記)。77，293 K的實(shí)驗(yàn)溫度下是沒有新相的生成。而該新相的生成正好對應(yīng)了工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的鋸齒流變。一般材料中鋸齒效應(yīng)的形成機(jī)理為：當(dāng)環(huán)境溫度不高的時(shí)候，溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力差，不能形成氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)，隨著塑性變形的增加，位錯(cuò)平滑的運(yùn)動(dòng)，宏觀上不會(huì)出現(xiàn)鋸齒；隨著環(huán)境溫度的升高，材料處于中間變形溫度區(qū)間，溶質(zhì)原子更容易擴(kuò)散，此時(shí)，溶質(zhì)原子形成氣團(tuán)，釘扎位錯(cuò)，隨著塑性變形的增加，位錯(cuò)掙脫溶質(zhì)原子束縛，應(yīng)力迅速減少，在釘扎和脫釘?shù)倪^程的重復(fù)發(fā)生，宏觀上產(chǎn)生鋸齒。

圖5 573 K試樣的TEM圖Fig 5 TEM images of 573 K sample

3 結(jié) 論

(1)在高溫拉伸時(shí)VCoNi中熵合金其力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的塑性不失穩(wěn)現(xiàn)象；但VCoNi中熵合金的拉伸性能曲線又區(qū)別于其它中(高)熵合金，有明顯的鋸齒流變現(xiàn)象,該鋸齒流變產(chǎn)生的主要原因是由第二相的析出。

(2)高溫拉伸下VCoNi中熵合金有明顯的新相生成，使得宏觀上力學(xué)性能發(fā)生改變，微觀上XRD圖譜有雜峰出現(xiàn)。低溫拉伸時(shí)，材料內(nèi)部的大量孿晶和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)是其力學(xué)性能提高的主要原因。

(3) VCoNi中熵合金的性能不穩(wěn)定，隨著服役溫度的變化，其力學(xué)性能有明顯的起伏，該性能對其實(shí)際應(yīng)用有了極大的限制作用。