發(fā)布時間：2020-11-13 10:21

　　 高熵合金打破了傳統(tǒng)合金以一種或者兩種元素為主的設計理念,是一種包含多種主要元素的新型合金。多種主要元素的協(xié)同作用使其具有較高混合熵,并延伸出許多優(yōu)異的性能,如高強度/硬度,良好的耐磨性/耐蝕性,優(yōu)異的高溫強度以及低溫韌性等。其中,亞穩(wěn)態(tài)高熵合金以其優(yōu)良的變形能力和獨特的力學性能引起了研究人員的廣泛關注。目前亞穩(wěn)態(tài)高熵合金的研究仍然處于起步階段,許多科學問題亟待解決。首先,由于亞穩(wěn)態(tài)高熵合金主元較多且成分范圍寬泛,難以通過傳統(tǒng)計算方法進行設計;其次,目前尚缺乏對亞穩(wěn)態(tài)高熵合金成分-組織-性能關系的系統(tǒng)研究;另外,獨特的變形行為賦予亞穩(wěn)合金形狀記憶的特點,而關于亞穩(wěn)態(tài)高熵合金在形狀記憶效應方面的研究較為匱乏。本文以Ti-Zr-Hf-Nb-Al系富Ti高熵合金為研究對象,系統(tǒng)研究了高熵合金中元素含量對相組成的影響規(guī)律,利用機器學習成功預測出具有應力誘導相變特征的富Ti五元高熵合金,通過變形和熱處理優(yōu)化了合金的超彈性和力學性能,并系統(tǒng)研究了合金的變形行為及變形機理。首先,初步確定四元Ti-Zr-Nb-Al和Ti-Zr-Hf-Al合金體系中成分對相組成和力學性能的影響。在Ti-Zr-Nb-Al體系中,Nb和Al的含量都會影響亞穩(wěn)β相的生成。當Nb和Al含量較少時,合金由亞穩(wěn)的β相和α"馬氏體相組成;當Nb含量較多時,鑄態(tài)合金由穩(wěn)定的β相組成;過量的A1會促進金屬間化合物的生成,惡化合金力學性能。在(Ti2ZrHf)100-xAlx(x=12,14,16,18,20,at.%)體系中,A1起到弱定元素的作用,對合金相組成和力學性能具有重要影響。隨Al含量的增加,合金相組成由HCP結構的α'相轉變?yōu)檎�交結構的α"相,后轉變?yōu)锽CC結構的β相。當A1增加到20at.%時,亞穩(wěn)β相的存在使合金在拉伸過程中發(fā)生了應力誘導馬氏體相變。結合Ti-Zr-Nb/Hf-Al四元體系和亞穩(wěn)鈦合金數據,建立數據庫,利用機器學習方法實現了 Ti-Zr-Hf-Nb-Al五元體系相組成預測,并預測了亞穩(wěn)合金的存在范圍。對部分預測結果進行實驗驗證,結果表明機器學習利用其優(yōu)異的數據挖掘能力,可實現復雜多主元高熵合金的成分設計�；�于機器學習對亞穩(wěn)態(tài)五元高熵合金的預測結果,選取鑄態(tài)Ti(ss-x)Zr20Hf15Ali(oNbx(x=l-9,at.%,簡記為T-Nbx)合金作為研究對象,對其相組成、相穩(wěn)定性、力學性能和變形機理展開了深入分析。Nb的添加促進了合金由HCP結構向BCC結構轉變,且β相穩(wěn)定性逐漸增強。對于含α’/α'+α〃相的T-Nbl-3合金,其所含六方相高度固溶強化,表現出高強度低塑性的特點。T-Nb4-8合金在拉伸過程中出現雙屈服現象,其中T-Nb4合金發(fā)生自適應馬氏體去孿晶過程,T-Nb5-8合金在拉伸過程中發(fā)生應力誘導β→α"馬氏體相變。T-Nb9合金中β相穩(wěn)定,拉伸過程中無雙屈服和明顯的加工硬化現象。研究了亞穩(wěn)β相為主的Ti-Zr-Hf-Nb-Al合金的力學性能變化規(guī)律和變形機理。經不同溫度退火后的T-Nb7合金完全再結晶,晶粒尺寸隨退火溫度的提高而增大。晶粒大小影響合金相變自由能,進而改變了合金的變形行為:具有較小晶粒的T-Nb7-800(800℃退火)合金在變形過程中先發(fā)生應力誘導馬氏體相變,生成不同的馬氏體變體,后續(xù)變形主要為馬氏體變體發(fā)生重排;而具有較大晶粒的T-Nb7-900(900℃ 退火)合金在變形初期發(fā)生應力誘導β-,α"相變,隨著應變量的增加,出現α"孿晶使合金具有優(yōu)異的變形能力。研究了 Ti-Zr-Hf-Nb-Al高熵合金的超彈性及變形機理。發(fā)現經冷軋+900℃/0.5h熱處理的T-Nb6合金同時具有良好的強度和超彈性,循環(huán)變形過程中最大可回復應變高達5.2%,且對應的最大拉伸應力達到900MPa。對經冷軋+800℃/0.5h退火的T-Nb5合金進行了同步輻射原位拉伸實驗,結果表明:合金在拉伸過程中的超彈性是由可逆的B(?)α"相變引起的,超過一定變形量,馬氏體變體發(fā)生重排,合金超彈性消失。
【學位單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TG139
【部分圖文】：

?Ｔｉ－Ｚｒ－Ｈｆ－Ｎｂ－Ａｌ高熵合金相形成規(guī)律及變形機理研宄???圖２－１顯示了由公式（２－３）計算出來的混合熵與等原子比合金中組元數??的函數關系［１Ｇ】。從圖中可以看出，當合金組元數達到五種或五種以上時，其??混合熵已經達到一個較大的數值，繼續(xù)增加元素種類所帶來的混合熵的增加??逐漸減緩。??ｚ？，一?？??Ｉ８－／?????２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?１８?２０??Ｎｕｍｂｅｒ?ｏｆ?ｃｏｍｐｏｅｎｔｓ?ｉｎ?ａｌｌｏｙ??圖２－１完全無序的等原子比合金中混合熵與組元敗關系示意圖叫??高熵合金傾向于設計成包括５－１３種金屬元素的多組元合金系統(tǒng)。之所??以把五種元素作為下限，是考慮到包括五種元素的多組元合金體系的混合熵??已經足夠抵消大部分的混合焓，從而確保無序體系的生成。當元素種類超過??十三種時，圖２－１中的曲線趨于平穩(wěn)，進一步增加組元數不會大幅度提高混??合熵。應特別指出的是，高熵合金可以設計成等摩爾比合金，也可以設計成??非等原子比的合金，一般認為，高熵合金中每種主元元素的原子分數不一定??完全相等，不過應該介于５％和３５％之間，按照這樣的標準就可以極大地擴??展可能的高熵合金系統(tǒng)的種類。??高熵合金成分設計自由度很大，我們可以把整個合金系統(tǒng)根據隨機互溶??狀態(tài)大致分為三類：??１）以一種或者兩種元素為主要組成元素的低熵傳統(tǒng)合金??２）包括三種或者四種主要元素的中熵合金??３）包含至少五種主要組成元素的高熵合金??值得注意的是，所謂隨機互溶是指在溶液或高溫固溶體狀態(tài)下，體系的??能量足夠高，從而使得不同類原子能夠隨機的占據晶體結構中的位置。因此，??高熵合金指的是具

的形成固溶體的趨勢。??根據Ｒｉｃｈａｒｄ金屬熔化理論［２４＼合金熔化時由固態(tài)向液態(tài)轉變的過程，每摩??爾的熵變，ＡＳｆ大約等于Ｒ。根據在熔點狀態(tài)下的公式ＴｍＡＳｆ＝ＡＨｆ，說明自由??能降低了?ＲＴｍ，大致相當于化學結合能增加值的十二分之一。鑒于混合焓的??大小只相當于化學結合能的一小部分，高熵合金大于１．５Ｒ的混合熵可以促進??隨機固溶體的形成，抑制因混合焓較負而產生的金屬間化合物及混合焓較正??而產生的相分離。因此，Ｙｅｈ等［２５］學者重新對高熵合金的混合熵進行了界定，??如圖２－２。低熵合金混合熵值小于等于１Ｒ，中熵合金混合熵值大于１Ｒ小于??１．５Ｒ，高熵合金混合熵值大于等于１．５Ｒ。盡管如此，在有些文獻中也將四元??非等原子比合金稱為高熵合金［２６，２７］。值得注意的是，以上所有的混合熵值的??計算都是在假定合金系統(tǒng)為隨機互溶狀態(tài)，即在合金中，所有原子隨機的占??據晶體點陣結構的位置。??Ａ５，?＞?１．５Ｒ??１Ｒ?＜?ＡＳｆ＜?１．５Ｒ??ＨＳｆ?＜?ＩＲ??低熵合金??中熵合金??髙焴合金??圖２－２根據供值對合金進行分類網??但是目前關于高熵合金的定義是互相矛盾的。比如五元合金??Ａ３５Ｂ３５Ｃ２ＧＤ５Ｅ５的混合摘為１．３６Ｒ，符合成分定乂，但是不付合混合摘的定乂。??例如，在目前己有研究的?ＴｉＺｒＨｆＮｂ［２６］、ＴｉＺｒＨｆＴａｘ［２８】（ｘ＝０．４，０．５，?０．６，?１），??Ｆｅ５０Ｍｎ３（）Ｃ〇１ＱＣｎＱ［２７ｌ等合金都均不復合現有高熵合金的定義，但是其多主元??－５?－??

?＾（Ｃｕ＾ｅｈ）?，?Ｂ２＾ＣＣ（Ｃｕ？ｈ）??！＿？００？?Ｉ?Ｉ?｜?－?８００??Ｉ???－４?Ｉ?ｔ?Ｊ???６００?－?Ｌ１?？?，?／??Ｖ?－?６００??ＦＣＣ?（Ｃｕ－ｆｉｃｈ）?＊?、Ｉ！?Ｓｐｉｎｏｄａｌ?＼??４〇〇?．?Ｉ?＼ｌ：?ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ａ?－?４００??２００?ｌｉ?Ｉ?ｌ?ｉ?，?Ｉｉ?■．?—?１?－１．．Ｊ?２００??１０?２０?３０?４０??ＡＪ?ｃｏｎｔｅｎｔ?（ａｔ％）??圖２－３?ＡｌｘＣｒＦｅＣｏＮｉＣｕ離熵合金相圖Ｗ??所以，并不是高熵合金都具有高熵效應。主要是因為一般情況下我們只??考慮了混合熵。而合金中還存在振動熵，電子熵和磁熵，混合熵只是在快冷??條件下起到主要作用。另外，上文中提到的混合熵的計算是在理想溶液模型??的假設上建立的，原子等幾率的占據晶格位置，且未考慮晶格的對稱性。高??熵合金所形成的具有高對稱性晶體結構，如ＢＣＣ、ＦＣＣ結構，這大大降低了??混合熵。所以高熵效應只是少數具有固溶體結構的高熵合金的特點。??另外，普遍認為的高熵效應對金屬間化合物的抑制作用是基于高溫下忽??略形成焓ＡＨｍｉｘ的作用，ＡＨｍ的大小主要反映合金中原子之間的化合鍵鍵??強。從現有報道中可以看出，大部分高熵合金具有較高的強度，這說明原子??之間具有強的鍵合作用，因此忽略形成焓僅考慮熵對自由能的影響也是不合??理的。??（２）大晶格畸變??由于高熵合金中一般包括五種或以上的主要元素，每種元素占據晶格點??的幾率相同，形成固溶體的過程中原子尺寸的差異會導致晶體結構出現明顯??的晶格扭曲，這就是高熵合金的晶格畸變
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本文編號：2882083