al含量對(duì)cucrfemnalxx=0,05,15合金組織結(jié)構(gòu)及硬度的影響

al含量對(duì)cucrfemnalxx=0,05,15合金組織結(jié)構(gòu)及硬度的影響

傳統(tǒng)的鉻設(shè)計(jì)理念認(rèn)為，添加過量的金屬環(huán)會(huì)形成許多金屬化合物，降低鍵的性能。所以傳統(tǒng)合金都是以一種或兩種元素作為主要組元,并且添加一些微量的其他元素來改善性能。20世紀(jì)90年代,臺(tái)灣學(xué)者首先提出“高熵合金”的概念,該合金和傳統(tǒng)合金最大的區(qū)別就是由多種元素構(gòu)成,這些元素按照等原子比或近似等原子比配比,沒有一種元素作為主要元素,是由多種元素共同表現(xiàn)來展示其特色。按照Gibbs相規(guī)則,當(dāng)合金由多種主要元素組成時(shí),F=C–P+1,F為自由度,C為組元數(shù),P為相數(shù)。在恒壓下,一個(gè)C組元系統(tǒng)中最大的平衡相數(shù)P=C+1。對(duì)高熵合金的研究表明,高熵合金傾向于形成簡(jiǎn)單固溶體,而不是形成金屬間化合物,因此合金內(nèi)相的總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Gibbs相規(guī)則所允許的數(shù)值。高熵效應(yīng)是造成這種現(xiàn)象的原因。由于高熵效應(yīng)抑制了脆性金屬間化合物的出現(xiàn),使得合金形成簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu),因此,高熵合金具有高硬度、強(qiáng)耐腐蝕性、良好的耐磨性及高溫抗軟化等優(yōu)良性能。高熵合金作為一種新的合金,目前無論是在實(shí)驗(yàn)研究還是理論研究方面的結(jié)果都比較少,對(duì)于高熵合金的形成機(jī)理等問題還少有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)通過真空電弧熔煉法制備了由5種過渡族金屬元素組成的等原子比合金,并以此為基與Al組成偽二元合金系列CuCrFeMnTiAlx(x=0,0.5,1.0,1.5),結(jié)合該合金系的組織結(jié)構(gòu)分析,研究了Al含量對(duì)合金的組織結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦磨損行為的影響。1試驗(yàn)與表征方法將Cu、Cr、Fe、Mn、Ti、Al6種合金元素(各種元素的純度都大于99.9%)按照設(shè)計(jì)的體系進(jìn)行配比,在氬氣保護(hù)下通過真空電弧熔煉制得CuCrFeMnTiAlx(x=0,0.5,1.0,1.5)偽二元合金系鑄錠(定義Al-x表示CuCrFeMnTiAlx),每個(gè)合金錠重復(fù)熔煉4次以保證成分均勻。從合金錠上截取尺寸為Φ9mm×10mm的圓柱體,用于摩擦磨損試驗(yàn)。采用УТИТВ-100型銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)合金在干摩擦滑動(dòng)條件下的耐磨性能。磨損試驗(yàn)在室溫下以無潤(rùn)滑方式進(jìn)行。所用偶件為Φ70mm×10mm的GCrl5鋼盤。試驗(yàn)滑動(dòng)速度0.8m/s,滑動(dòng)距離1000m,載荷為20N。采用HV-5與FM-700型維氏硬度儀分別測(cè)試合金的宏觀與顯微硬度;分別采用S-570與S-4700型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察合金微觀組織及磨損表面形貌;采用能譜分析儀(EDS)對(duì)合金進(jìn)行微區(qū)成分分析;采用D/max-rB旋轉(zhuǎn)X射線衍射儀測(cè)定高熵合金的相結(jié)構(gòu);采用PhilipsTecnai20型透射電子顯微鏡(TEM)分析合金的晶體結(jié)構(gòu)。2結(jié)果和分析2.1化學(xué)成分分析圖1為鑄態(tài)Al-x合金微觀組織的SEM照片。由圖1可以觀察出,合金的組織形態(tài)為典型的枝晶組織,由枝晶與枝晶間區(qū)域構(gòu)成。當(dāng)Al含量由0增加到1.5時(shí),枝晶形狀由樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)榛ò隊(duì)?。?jīng)EDS分析,得出鑄態(tài)Al-x高熵合金初生樹枝晶DR和枝晶間ID各相的化學(xué)成分,如表1所示。由表1可知,Cr、Fe、Ti這3種元素基本分布在樹枝晶內(nèi);Al、Mn大體在兩相上均勻分布;初生枝晶間Cu富集的現(xiàn)象特別明顯,均在50%左右。根據(jù)Boltzmann假設(shè),由n種組元組成的合金的混合熵Smix可以表示為:式中,T為熱力學(xué)溫度;Hmix為混合焓。由式(2)可知,高的混合熵能顯著降低系統(tǒng)的自由能,降低元素偏析的趨勢(shì),使得固溶體在凝固時(shí)比金屬間化合物和其他有序相更容易形成,也更穩(wěn)定。由于Cu與Cr、Fe的混合焓分別為+12和+13kJ/mol,Cu-Cr和Cu-Fe之間的混合熵不夠平衡它們之間如此大的混合焓,這樣Cr與Fe將阻礙Cu存于枝晶中;而且Cu自身與其他元素的結(jié)合能力也很差,從而導(dǎo)致在凝固時(shí)進(jìn)入枝晶間區(qū)。2.2亞甲基-固溶體的晶體結(jié)構(gòu)圖2為鑄態(tài)Al-x合金X射線衍射圖譜。分析圖2發(fā)現(xiàn),Al-0、Al-0.5和Al-1.0形成了密排六方(hcp)結(jié)構(gòu)的固溶體,Al-1.5形成面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)和少量密排六方(hcp)的固溶體,其中Al-0還存在少量的未知相。根據(jù)布拉格定律,可以計(jì)算出各相的晶格參數(shù),如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)添加少量Al時(shí),Al-0.5合金形成的密排六方(hcp)相與Al-0合金的晶格參數(shù)相差不大;當(dāng)添加Al的含量為1.0時(shí),較多Al原子的固溶使晶格發(fā)生畸變,晶格往c軸方向膨脹;當(dāng)Al含量為1.5時(shí),由于出現(xiàn)fcc相,緩解了密排六方(hcp)固溶體的晶格畸變,使得密排六方(hcp)相的畸變量減小。圖3是Al-1.5合金的TEM明場(chǎng)相及相應(yīng)枝晶DR與枝晶間ID的衍射花樣。通過衍射花樣分析,可知Al-1.5合金枝晶為密排六方結(jié)構(gòu),枝晶間為面心立方結(jié)構(gòu)。3.3al-1.5合金的硬度圖4為鑄態(tài)Al-x高熵合金的硬度曲線。由圖4可知,隨著Al含量的增加,合金的硬度逐漸升高,其中Al-1.5合金的硬度最高,可以達(dá)7.19GPa。這是由于隨著Al含量的增加,晶格畸變?cè)黾?固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng),所以硬度提高。合金枝晶的顯微硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于枝晶間的顯微硬度,這是由于過多的Cu聚集在枝晶間內(nèi),導(dǎo)致了枝晶間變軟,從而硬度下降。2.4磨損對(duì)al-0.5合金摩擦系數(shù)的影響圖5為鑄態(tài)Al-0、Al-0.5和Al-1.0合金的磨損量與磨損距離的關(guān)系(Al-1.5較脆,不做分析)。由圖5知,隨著磨損距離的增加,Al-0合金的磨損量最大,Al-0.5最小,Al-1.0處于兩者之間,這說明Al-0.5的耐磨性能較好。材料的摩擦系數(shù)是用來表征材料耐磨性的一個(gè)重要參數(shù)。摩擦系數(shù)越小,說明耐磨性越好。圖6為鑄態(tài)Al-x合金的摩擦系數(shù)與磨損距離的關(guān)系?？梢钥闯?合金的摩擦系數(shù)隨著磨損距離的增大逐漸增大,當(dāng)磨損距離超過600m后摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。Al-0.5合金的摩擦系數(shù)較小。其原因可結(jié)合磨損形貌進(jìn)行分析。圖7為合金進(jìn)行磨損試驗(yàn)后的表面磨損形貌,箭頭所示為摩擦方向。由圖7可知,磨損試驗(yàn)后的合金表面沒有發(fā)生明顯的變形。當(dāng)Al含量為0時(shí),合金在磨損過程中表面材料大面積地破碎脫落,磨損表面沒有明顯的犁溝,粘著磨損現(xiàn)象明顯。隨著Al含量的增加,合金硬度升高,合金表面的破碎脫落量減少,表面出現(xiàn)明顯的犂溝,粘著現(xiàn)象減弱,合金摩擦系數(shù)升高。但由于Al-0.5合金在磨損初期摩擦系數(shù)較高,產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致表面氧化,摩擦表面產(chǎn)生了氧化區(qū),從而降低了合金的摩擦系數(shù),使得Al-0.5合金的耐磨性提高。圖8為Al-0.5合金在磨損過程中出現(xiàn)的氧化區(qū)形貌及能譜分析。圖8a為形貌圖,圖8b為能譜分析。由圖8b可知,該區(qū)域內(nèi)除了有合金體系的元素之外,還有大量的氧存在,摩爾分?jǐn)?shù)可達(dá)42.16%。3al-1.5合金混合熵1)制備的CuCrFeMnTiAlx(x=0,0.5,1.0,1.5)鑄態(tài)高熵合金具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。隨著Al含量的增加,Al-x合金由密排六方(hpc)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘慕Y(jié)構(gòu)(fcc)。2)合金的組織為典型的枝晶組織。初生枝晶間Cu富集的現(xiàn)象明顯;Cr、Fe、Ti元素基本分布在樹枝晶內(nèi),Al、Mn大體均勻分布在兩相上。3)隨著Al含量的增