FCC结构VCoNi中熵合金的相稳定性及变形行为研究

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近年来,高/中熵合金作为一种新的合金概念逐渐进入材料研究者的视野。这种合金由多个原子百分比接近或近似相等的元素组成,具有简单的固溶体结构。面心立方结构(Face centered cubic,FCC)的高/中熵合金优异的塑性和耐低温损伤能力使其在结构应用方面具有潜在优势。FCC结构超强VCoNi中熵合金在室温下表现出优异的强度和塑性结合(屈服强度约1GPa,延伸率约30%),但在其他温度下(低温及中高温度)的变形机制尚不明确,应变速率敏感性(Strain rates sensitivity,SRS)方面研究甚少。此外,高/中熵合金的相不稳定导致其机械性能发生改变从而限制其应用。因此本文选用FCC结构的VCoNi中熵合金为研究对象,研究不同温度时效热处理时其相稳定性以及在不同温度和不同应变速率条件下其变形行为所对应的内在机制,并对其变形机制进行全面、深入的分析。本文研究中,采用真空熔炼及室温轧制制备了等原子比的VCoNi中熵合金,分别在 600℃、700℃、800℃、900℃ 以及 1000℃下对 VCoNi 进行不同时间(12h、24h、48h、72h和144h)的时效处理,研究该合金的相稳定性。结果表明,随着时效时间及温度的增加,合金中析出相呈递增趋势,微观结构分析表明该析出相为V元素富集的σ相。σ相在等温退火过程中的动态析出遵从Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)公式,且与温度无关的系数n≈0.025。另外,σ相析出动力学的温度依赖性可以用Arrhenius定律来描述,其表观活化能为116±11KJ/mol。最后,根据本次试验的热力学计算结果绘制了 VCoNi 中熵合金在 600℃-1000℃温度范 围 内 σ相析 出 的Time-Temperature-Transformation(TTT)曲线。在VCoNi合金相稳定性研究的基础上,分别研究了温度(77K-573K)和初始应变速率(8.3×10-5s-1-8.3×10-2s-1)对其力学性能的影响。结果表明高密度纳米级位错亚结构和变形孪晶的协同作用使合金在77K变形时具有良好的强度和塑性结合。当温度高于473K时,虽然应力-应变曲线上表现出明显的锯齿状流动现象,但其塑性却保持稳定,主要原因是在该温度拉伸时合金中有富V-σ相的析出。微观组织分析表明锯齿流动的形成机制是动态应变时效与富V-σ相动态析出的耦合作用。在不同应变速率下,材料表现出明显的负应变速率敏感性(Negative strain rates sensitivity,NSRS),随着应变速率的增加VCoNi合金的强度呈现明显下降趋势。研究表明NSRS与变形过程中富V-σ相的动态析出密切相关,而VCoNi合金固有的原子构型和化学成分、位错的产生和迁移以及元素的充分扩散是导致V-σ相的析出强化的主要原因。
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