冷軋+退火對(duì)CoCrNi中熵合金顯微組織和力學(xué)性能的影響

張明旭, 徐 旺, 李涌泉, 董福元,3

(1. 北方民族大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021;2. 北方民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021;3. 北方民族大學(xué) 粉體材料與特種陶瓷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧夏 銀川 750021)

高熵合金由5種或更多主元元素以等原子比或接近等原子比的多組元元素構(gòu)成,高構(gòu)型熵有助于固溶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1-2],這使高熵合金形成簡(jiǎn)單的固溶體結(jié)構(gòu)而不是金屬間化合物。多組元元素的不同原子尺寸會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變[3]。(中)高熵合金因其卓越的力學(xué)性能而被研究者關(guān)注[4],尤其是在低溫下的力學(xué)性能更為突出。然而,在室溫下,許多(中)高熵合金表現(xiàn)出較低的屈服、抗拉強(qiáng)度。因此通過晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化等[5]方法強(qiáng)化(中)高熵合金就顯得尤為重要。晶粒細(xì)化是最有效的強(qiáng)化方法,純金屬材料減小晶粒尺寸到納米級(jí)范圍可以提高強(qiáng)度到吉帕級(jí),但納米晶體材料及其合金經(jīng)常受塑性限制[6]。冷軋和退火是調(diào)節(jié)組織和優(yōu)化大塊材料力學(xué)性能最有效的手段之一,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中[7-8]。等原子比CoCrNi中熵合金(MEA)經(jīng)過冷軋和退火后,在不犧牲韌性的前提下,強(qiáng)度提高顯著[9]。Zheng等[10]運(yùn)用冷軋和退火制備出具有非均勻組織的CoCrNi中熵合金,具有卓越的強(qiáng)度-韌性配比。本文研究了低溫(-196 ℃)、室溫(25 ℃)冷軋和退火后CoCrNi中熵合金的顯微組織和力學(xué)性能,以期使合金具有良好的強(qiáng)度-韌性配比。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)在真空感應(yīng)熔煉爐和高純氬氣氣氛下混合多種高純金屬(99.9wt%),為保證合金成分均勻,經(jīng)多次熔煉及均勻化處理后得到鑄態(tài)CoCrNi中熵合金。將得到的原始厚度為10 mm的試樣,先在室溫(25 ℃)及低溫(-196 ℃)下進(jìn)行92%變形量的冷軋,分別記為RR和CR試樣,其中低溫軋制時(shí),為最小化控制因軋制過程中厚度較少而引發(fā)的溫升問題,每次低溫軋制前將試樣浸泡在液氮中保證足夠長(zhǎng)的時(shí)間,直至盛有試樣的液氮不再沸騰,重復(fù)多次后開始進(jìn)行低溫軋制。然后用箱式電阻爐(Y7H-5-12A)分別在700 ℃和800 ℃退火1 h,水冷,分別記為RR-700、RR-800和CR-700、CR-800試樣。

使用DX-2700 X射線衍射儀(XRD)表征合金的晶體結(jié)構(gòu),試驗(yàn)采用Cu靶Kα輻射,管電壓40 kV,管電流30 mA,掃描范圍為40°～100°,掃描速率為4°/min。采用1.8 mL H2SO4+25 mL HCl+7.5 g CuSO4溶液對(duì)不同溫度退火后的試樣進(jìn)行化學(xué)腐蝕,然后用ZISS光學(xué)顯微鏡(OM)和TM-4000Plus II掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織結(jié)構(gòu)。采用HVS-1000硬度計(jì)測(cè)量試樣的顯微硬度,加載載荷1 kg,保載10 s,在試樣表面測(cè)試5個(gè)點(diǎn)并取平均值。采用BM400型中走絲線切割機(jī)床加工20 mm×6 mm×0.8 mm 狗骨狀拉伸試樣,然后用CMT5305萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的拉伸性能,應(yīng)變速率為1×10-3s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相分析

CoCrNi中熵合金經(jīng)冷軋和退火后的XRD圖譜如圖1所示,可以看出,冷軋態(tài)和退火態(tài)CoCrNi中熵合金中僅有FCC相,表明合金為單一FCC相固溶體。值得注意的是,退火態(tài)的(200)γ、(311)γ峰相比較于冷軋態(tài)變化顯著,表明在冷軋態(tài)下沿軋制方向的變形帶狀結(jié)構(gòu)在700 ℃和800 ℃退火下逐步發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,高密度位錯(cuò)以及高殘余應(yīng)力得到釋放。

圖1 冷軋和退火后CoCrNi中熵合金的XRD圖譜

圖2為CoCrNi中熵合金FCC相的EDS面掃描結(jié)果。合金元素含量分布較為均勻,各元素接近等原子比,沒有明顯的偏析現(xiàn)象。從XRD結(jié)果得到驗(yàn)證CoCrNi中熵合金為單相穩(wěn)定的FCC結(jié)構(gòu)。

圖2 CoCrNi中熵合金FCC相的EDS面掃描結(jié)果

2.2 顯微組織分析

CoCrNi中熵合金經(jīng)冷軋和退火后的顯微組織如圖3所示。合金經(jīng)過92%變形量的室溫、低溫冷軋后,晶粒轉(zhuǎn)變成長(zhǎng)帶狀晶粒,進(jìn)一步退火后發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,形成等軸晶以及出現(xiàn)在晶粒內(nèi)部的退火孿晶。在室溫進(jìn)行冷軋時(shí),700 ℃退火后合金中的變形帶仍然明顯,且出現(xiàn)了少量退火李晶、等軸晶和軋制變形后的細(xì)小晶粒,而800 ℃退火后的晶粒為等軸晶,在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了退火孿晶。表明合金在700 ℃退火時(shí)僅發(fā)生部分再結(jié)晶,晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度逐漸減小,殘余應(yīng)力得到釋放,合金在800 ℃退火時(shí)發(fā)生再結(jié)晶,晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度較低,這導(dǎo)致合金在700 ℃退火下的強(qiáng)度高于800 ℃退火。與室溫冷軋+退火相比,在低溫進(jìn)行冷軋時(shí),700 ℃退火后的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)較多的退火孿晶,使合金的強(qiáng)度明顯高于室溫冷軋,而800 ℃退火過程中新晶粒的不斷形核與長(zhǎng)大可以有效地細(xì)化晶粒,因此合金800 ℃退火后的韌性高于700 ℃退火。

圖3 CoCrNi中熵合金經(jīng)冷軋和退火后的顯微結(jié)構(gòu)

2.3 力學(xué)性能分析

圖4為CoCrNi中熵合金經(jīng)冷軋和退火后的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)性能。由圖4(a, b)可以看出,經(jīng)冷軋和退火后CoCrNi中熵合金表現(xiàn)出良好的拉伸性能。均勻延伸率和總延伸率隨退火溫度增加而增加,抗拉強(qiáng)度隨退火溫度增加而降低。其中,CR-700試樣抗拉強(qiáng)度較RR-700試樣、CR-800試樣、RR-800試樣抗拉強(qiáng)度分別提高16%、13%、37%。由圖4(c)可以看出,合金經(jīng)室溫冷軋和低溫冷軋后的硬度分別為479和493 HV,再經(jīng)過700 ℃退火1 h后,合金的硬度分別降為330和340 HV。而經(jīng)800 ℃退火1 h后的硬度則分別降至262和269 HV?？梢姾辖鹪诓煌瑴囟韧嘶鸷蟮挠捕染壤滠埡蟮挠捕鹊?這是因?yàn)楹辖鹪谕嘶饡r(shí)發(fā)生了回復(fù)以及再結(jié)晶。冷軋后合金內(nèi)部的位錯(cuò)密度增加,位錯(cuò)纏繞形成位錯(cuò)胞,細(xì)化奧氏體晶粒,有效阻止位錯(cuò)的遷移,提高材料的強(qiáng)度和硬度,而退火后合金發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象,晶粒為等軸晶,位錯(cuò)密度減小,由Hall-Petch公式((σy=σ0+kd-1/2,其中σy為屈服強(qiáng)度,σ0為摩擦力,k為常量,d為材料平均晶粒尺寸)可知,晶粒越大,強(qiáng)度越低。根據(jù)圖3,合金經(jīng)室溫冷軋+700 ℃退火后存在明顯的變形帶狀結(jié)構(gòu),再結(jié)晶比例相對(duì)較少,而低溫冷軋+700 ℃退火后變形帶狀結(jié)構(gòu)明顯減少,且出現(xiàn)了退火孿晶,退火孿晶割裂并細(xì)化了奧氏體晶粒,退火孿晶及奧氏體晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),從而使低溫冷軋+退火的強(qiáng)度和硬度高于室溫冷軋+退火的強(qiáng)度。

圖4 CoCrNi中熵合金經(jīng)冷軋和退火后的力學(xué)性能

3 結(jié)論

1) CoCrNi中熵合金室溫(25 ℃)及低溫(-196 ℃)冷軋、700和800 ℃退火后仍為單相FCC結(jié)構(gòu)。

2) 合金經(jīng)低溫冷軋+700 ℃退火后合金內(nèi)部發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象,晶粒內(nèi)部出現(xiàn)退火孿晶,細(xì)化晶粒,減小位錯(cuò)密度,釋放了殘余應(yīng)力,其抗拉強(qiáng)度為1023 MPa,均勻延伸率和總延伸率分別為26%和34%,具有良好的強(qiáng)度-韌性配比。

3) 合金經(jīng)低溫冷軋+700 ℃退火后的變形帶狀結(jié)構(gòu)明顯少于室溫冷軋+700 ℃退火,且出現(xiàn)了退火孿晶,退火孿晶割裂并細(xì)化了奧氏體晶粒,退火孿晶及奧氏體晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),因此低溫冷軋+700 ℃退火的強(qiáng)度高于室溫冷軋+700 ℃退火的強(qiáng)度。