材料成型及控制工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-合金元素mo對(duì)高熵合金材料力學(xué)性能的影響規(guī)律

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　合金元素Mo對(duì)高熵合金材料力學(xué)性能的影響規(guī)律</p><p><b>　　誠(chéng)信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指

2、導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： </p><p>　　年 月 日 </p><

3、;p><b>　　畢業(yè)論文任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目： 合金元素Mo對(duì)高熵合金材料力學(xué)性能的影響規(guī)律 </p><p>　?、旁O(shè)計(jì)（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　　本文主要研究Mo元素含量對(duì)AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的力學(xué)性能的影響。選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、M

4、o、Ti、Si其純度為99.5%以上，按摩爾比為1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金，用真空電弧爐熔鑄AlCrCoFeNiMoTiSi髙熵合金。研究合金Mo元素的有無(wú)對(duì)八元合金的力學(xué)性能的影響，主要包括材料的硬度、材料的摩擦磨損性能。通過(guò)對(duì)其各個(gè)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出其對(duì)應(yīng)的力學(xué)變化規(guī)律。</p><p>　?、圃O(shè)計(jì)（論文）的基本要求和內(nèi)容</p><p>　　①了解高熵合金

5、研究的背景，目的及意義</p><p>　?、诹私庵苽淙蹮捀哽睾辖鸬倪^(guò)程以及其元素配比</p><p>　?、壅莆諟y(cè)試布氏試驗(yàn)硬度設(shè)備的原理、操作，了解其注意事項(xiàng)</p><p>　?、苷莆諟y(cè)試摩擦磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理、操作，了解其注意事項(xiàng)</p><p>　?、萃ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)獲得并分析高熵合金相應(yīng)的力學(xué)性能，找出其規(guī)律</p><

6、;p><b>　?、侵饕獏⒖嘉墨I(xiàn)</b></p><p>　　[1] 葉均蔚，陳瑞凱，劉樹(shù)均.髙熵合金的發(fā)展概況[J].工業(yè)材料雜志，2005，224:71-79</p><p>　　[2] Zhou YJ,Zhang Y,Wang,YL,et al.Solid solution alloys of AlCoCrFeNiTix with excellent ro

7、mm-temperature mechanical properties[J]. Appl. Phys. Lett,2007,90:181904-181906</p><p><b>　?、冗M(jìn)度安排</b></p><p>　　合金元素Mo對(duì)高熵合金材料力學(xué)性能的影響規(guī)律</p><p>　　摘要:多主元高熵合金是近年來(lái)興起的一種新型合金材料，

8、它的最大特點(diǎn)是突破了傳統(tǒng)合金只以一種或兩種金屬元素為主的設(shè)計(jì)框架，從而發(fā)展出一種全新的合金。多主元高熵合金是以五種或五種以上主要元素按等摩爾比或近等摩爾比經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。 </p><p>　　本論文選取AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八種常用的金屬元素，通過(guò)改變Mo的摩爾含量研究該系列合金的力學(xué)性能及其變化規(guī)律。采用真空電弧爐熔煉合金，再對(duì)合金鑄態(tài)與退火態(tài)的硬度

9、與耐磨性能進(jìn)行測(cè)試研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高熵合金,硬度,耐磨性</p><p>　　Effect of alloy elements on mechanical properties of </p><p>　　Mo high entropy alloy </p><p>　　Abstract: Princ

10、ipal elements of high—entropy alloys is only just emerging in recent years，which is a new type of material science．Its biggest feature is the breakthrough of the traditional alloy that only one or two kinds of metal elem

11、ents based design framework,develop a new alloy design concept．High-entropy alloys based on equimolar or nearly equimolar ratio five or more than five key elements，taking melting，sintering or other means to get a combina

12、tion of the metallic material．</p><p>　　This paper picks AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si eight commonly used metals，bychanging the molar concentration of Mo in the series to study alloy microstructure and properties

13、.Using vacuum arc furnace melting alloy,Alloy cast and annealed State of study on hardness and wear resistance test.</p><p>　　Keyword：high entropy alloys,hardness,wear hardness</p><p><b>　

14、　目錄 </b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1概述1</b></p><p>　　1.2選題背景、研究的目的和意義1</p><p>　　1.3本課題研究主要內(nèi)容3</p><p><b>　

15、　2 文獻(xiàn)綜述5</b></p><p>　　2.1多主元高熵合金的定義5</p><p>　　2.1.1固溶體混合熵6</p><p>　　2.1.2 高熵合金的界定7</p><p>　　2.2高熵合金的特點(diǎn)及性能8</p><p>　　2.3多主元效應(yīng)11</p><p

16、>　　2.3.1高熵效應(yīng)11</p><p>　　2.3.2 晶格畸變效應(yīng)11</p><p>　　2.3.3緩慢擴(kuò)散效應(yīng)12</p><p>　　2.3.4雞尾酒效應(yīng)13</p><p>　　2.4高熵合金的應(yīng)用領(lǐng)域14</p><p>　　3.實(shí)驗(yàn)用材料的選擇及試樣的制備18</p>

17、<p>　　3.1試驗(yàn)用合金成分的選擇18</p><p>　　3.2試樣的制備19</p><p>　　4 多主元合金力學(xué)性能分析23</p><p>　　4.1維氏硬度試驗(yàn)23</p><p>　　4.1.1儀器簡(jiǎn)介23</p><p>　　4.1.2實(shí)驗(yàn)原理23</p>&l

18、t;p>　　4.1.3試驗(yàn)操作步驟24</p><p>　　4.1.4實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)25</p><p>　　4.1.5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容25</p><p>　　4.1.6實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果29</p><p>　　4.2摩擦磨損試驗(yàn)29</p><p>　　4.2.1試驗(yàn)機(jī)機(jī)構(gòu)介紹29</p><

19、;p>　　4.2.2試驗(yàn)機(jī)的工作條件30</p><p>　　4.2.3實(shí)驗(yàn)原理30</p><p>　　4.2.4實(shí)驗(yàn)步驟31</p><p>　　4.2.5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容31</p><p>　　4.2.6實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果36</p><p><b>　　5.結(jié)論37</b></

20、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　致謝 40</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　多主元高熵合金是近年來(lái)

21、興起的一種新型合金材料，它的最大特點(diǎn)是突破了傳統(tǒng)合金只以一種或兩種金屬元素為主的設(shè)計(jì)框架，從而發(fā)展出一種全新的合金。多主元高熵合金是以五種或五種以上主要元素按等摩爾比或近等摩爾比經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。主要元素的增多使合金產(chǎn)生高熵效應(yīng)，晶體結(jié)構(gòu)傾向于形成簡(jiǎn)單體心或簡(jiǎn)</p><p>　　單面心結(jié)構(gòu)，同時(shí)可能伴有晶間化合物生成，甚至在鑄態(tài)就會(huì)析出納米晶，從而起到固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化

22、效果，使高熵合金的性能比傳統(tǒng)合金具有較大優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　髙熵合金在晶體結(jié)構(gòu)及各種性質(zhì)上和傳統(tǒng)合金有極大的差異，主要包括一下幾個(gè)方面：⑴不但能形成簡(jiǎn)單的BCC和FCC結(jié)構(gòu)甚至易產(chǎn)生納米相和無(wú)序的非晶相；⑵具有良好的熱穩(wěn)定性；⑶極高的硬度、溫室強(qiáng)度和良好的塑性變形能力;⑷優(yōu)越的耐腐蝕和耐磨性能。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)概念的固溶體特性是具有較好的塑性變形能力，但硬度和強(qiáng)度較低，通常只能作為基體相。而基于多主元構(gòu)成髙

23、熵合金形成的固溶體有著較高的強(qiáng)度和硬度，甚至高于非晶合金的強(qiáng)度，同時(shí)還具有良好的熱穩(wěn)定性和耐磨耐蝕特性，為新型結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)提供了豐富的空間。</p><p>　　髙熵合金的性能比傳統(tǒng)合金具有較大的優(yōu)越性，但髙熵合金的元素種類(lèi)不同，其力學(xué)性能，微觀組織結(jié)構(gòu)也會(huì)有所變化，故研究髙熵合金具體元素的特性也是很有必要，本文就以AlCrCoFeNiMoTiSi為例，研究Mo元素的有無(wú)對(duì)此髙熵合金力學(xué)性能所產(chǎn)生的影響。<

24、;/p><p>　　1.2選題背景、研究的目的和意義</p><p>　　幾千年來(lái)，合金的發(fā)展都是以一種金屬元素為主的(一般都超過(guò)50%)，隨著添加各種不同的合金元素而產(chǎn)生不同的合金，以滿足所需的性能要求，例如以鋁為主的鋁合金，以鐵為主的鋼鐵材料，以銅為主的銅合金，以鎳為主的高溫合金，以鈦為主的鈦合金等等。盡管如此，合金系的數(shù)量還是很有限的，目前人類(lèi)已開(kāi)發(fā)使用的合金系共有30余種。 </

25、p><p>　　自從1970年以來(lái)，金屬基復(fù)合材料及金屬間化合物得到廣泛的關(guān)注的同時(shí)，新的制造加工工藝也隨之出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用，例如快速凝固技術(shù)和機(jī)械合金化等等。于是，研究員們利用這些新的制造加工工藝又開(kāi)發(fā)出新的高性能合金，這些合金具有納米級(jí)晶體結(jié)構(gòu)尺寸，而且固溶度極大，有的甚至含有非晶體相。在最近的二十年里，很多學(xué)者致力于開(kāi)發(fā)大量大塊非晶合金，例如Pd基、Zr基、Fe基、Ni基和Mg基大塊非晶合金系等。但是，這些大

26、塊非晶合金也都是以一種元素為主的合金</p><p>　　因此，到目前為止，傳統(tǒng)的合金配方仍不脫離以一種金屬元素為主的觀念，人類(lèi)依此觀念配制不同合金，采用不同的制造加工工藝，進(jìn)而應(yīng)用到不同的地方，都是在這個(gè)框架下發(fā)展及改善的。而且，根據(jù)傳統(tǒng)合金的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)可知，雖然可以通過(guò)添加特定的少量合金元素來(lái)改善合金的性能，但合金元素種類(lèi)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致很多化合物尤其是金屬間化合物的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致合金性能的惡化，如變脆。此外，也給材

27、料的組織和成分分析帶來(lái)很大的困難，因此合金元素的種類(lèi)應(yīng)該越少越好。正因?yàn)槿绱?，我們所開(kāi)發(fā)的合金系種類(lèi)很有限，傳統(tǒng)合金的發(fā)展空間變得越來(lái)越小了。在1996年，中國(guó)臺(tái)灣的國(guó)立清華大學(xué)就有學(xué)者率先跳出了傳統(tǒng)合金的發(fā)展框架，提出新的合金設(shè)計(jì)理念，即高熵合金。 </p><p>　　近幾十年來(lái)合金領(lǐng)域里的三大突破：就是用多種金屬元素配制成大塊非晶合金、多功能的超彈塑性合金以及納米結(jié)構(gòu)的高熵合金[2]。高熵合金作為其中之一，

28、目前還是一片處女地，但這是一個(gè)具有學(xué)術(shù)研究及工業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ呢S富寶藏，可以開(kāi)發(fā)出大量的高技術(shù)材料，而且可以用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜法來(lái)制作塊材、涂層或薄膜。除了上述幾種傳統(tǒng)的制作加工方法外，高熵合金還可通過(guò)快速凝固、機(jī)械合金化獲得，利用這兩種方法獲得的高熵合金，其組織更傾向于形成納米晶體，甚至非晶體。高熵合金的組織特點(diǎn)決定了它具有以下幾種特性：⑴高的硬度；⑵良好的耐腐蝕性；⑶良好的耐磨性；⑷較高的耐溫性；⑸高加工硬化。因

29、此，就實(shí)用性而言，若無(wú)法找到功能合適的傳統(tǒng)合金，高熵合金也許可以適用。高熵合金的研究具有前瞻性，具有學(xué)術(shù)研究及應(yīng)用價(jià)值。由于應(yīng)用潛力多元化，面對(duì)的產(chǎn)業(yè)也多元化，因此傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級(jí)及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將為高熵合金開(kāi)辟無(wú)限發(fā)揮的空間，對(duì)傳統(tǒng)冶金的鋼鐵行業(yè)的提升無(wú)疑具有重要意義。 </p><p>　　高熵合金是一個(gè)全新的合金領(lǐng)域，它跳出了傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)框架，是具有許多優(yōu)異性能的、特殊合金系，調(diào)整其成分可以進(jìn)一步優(yōu)

30、化性能，因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)有關(guān)高熵合金的研究才剛剛起步，雖然有不少研究者開(kāi)始關(guān)注此類(lèi)合金的研究，但相關(guān)數(shù)據(jù)尚屬實(shí)驗(yàn)室階段，未真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。若某一具體的高熵合金能夠獲得穩(wěn)定、可靠、具有工業(yè)參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將真正、快速地推動(dòng)高熵合金的研究和應(yīng)用，在工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域?qū)⒛芸匆?jiàn)高熵合金的身影。</p><p>　　傳統(tǒng)合金的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，組成合金的金屬元素多了之后，會(huì)形成諸多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的脆性金屬間

31、化合物，惡化合金性能。然而近年來(lái)，研究者們發(fā)現(xiàn)，將5種或5種以上的金屬元素按等摩爾比或近等摩爾比混合在一起，不區(qū)分主要元素，熔煉得到的合金具有顯微結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、不傾向于出現(xiàn)金屬間化合物、具有納米析出物與非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)特征，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐回火軟化、耐磨等性能特性。現(xiàn)有傳統(tǒng)合金還沒(méi)有哪種合金可以同時(shí)具備以上優(yōu)異性能，因此，高熵合金具有極為廣闊的應(yīng)用前景，可大幅度應(yīng)用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕的刀具、模具及機(jī)件，是切入高功能、高附加值

32、特殊合金材料領(lǐng)域的良好契機(jī)。高熵合金的性能比傳統(tǒng)合金具有較大優(yōu)越性，但其微觀組織和性能機(jī)理有待研究。開(kāi)展這方面的工作，對(duì)于開(kāi)發(fā)新型高熵合金材料，促進(jìn)高熵合金在工業(yè)上的應(yīng)用，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。</p><p>　　1.3本課題研究主要內(nèi)容</p><p>　　高熵合金的研究還是一塊處女地，無(wú)論理論研究還是實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果都非常少。人們對(duì)這一合金化過(guò)程的機(jī)理以及其中涉及到的諸多科學(xué)

33、問(wèn)題基本還沒(méi)有認(rèn)識(shí)。現(xiàn)在出現(xiàn)的一些高熵合金體系也只是通過(guò)所謂的雞尾酒式的方法調(diào)配而成，還沒(méi)有建立科學(xué)選擇合金元素的理論。另外，對(duì)高熵合金凝固后的組織結(jié)構(gòu)以及各方面的性能比如力學(xué)性能、耐高溫和耐磨性能、電學(xué)和磁學(xué)性能以及其它一些物理系性能，都還沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。盡管如此，我們還是只能?chē)L試，不斷地嘗試，并從失敗的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出規(guī)律。 </p><p>　　本文主要研究Ti、Si元素含量對(duì)AlCrCoFeNiMoTiSi八

34、主元合金的力學(xué)性能的影響。選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，其純度為99.5%以上，按摩爾比為1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金，用真空電弧爐熔鑄AlCrCoFeNiMoTiSi 髙熵合金。研究合金鑄態(tài)與退火態(tài)的力學(xué)性能，以及Mo元素的有無(wú)對(duì)八元合金的力學(xué)性能的影響，主要包括常溫與退火態(tài)材料的硬度、耐磨性。主要做以下幾方面的工作：</p><p>　　⑴選擇日常使用的金屬材料，

35、通過(guò)控制Mo元素的有無(wú)，研究其對(duì)合金力學(xué)性能的影響，比較不同配方的 髙熵合金的力學(xué)性能，分析它們的力學(xué)性能優(yōu)劣。研究熱處理對(duì)高熵合金材料力學(xué)性能的影響。</p><p>　?、评镁S氏硬度計(jì)測(cè)試合金的硬度；通過(guò)磨損試驗(yàn)測(cè)量合金的耐磨損性能。</p><p>　?、峭ㄟ^(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析合金的力學(xué)性能和Mo元素的有無(wú)對(duì)合金力學(xué)性能的影響以及熱處理對(duì)高熵合金材料力學(xué)性能的影響。 &

36、lt;/p><p><b>　　2 文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　2.1多主元高熵合金的定義</p><p>　　一直以來(lái)我們所熟悉的各種合金系統(tǒng)，幾乎以一個(gè)主要元素為主，再添加若干次要元素以改進(jìn)其性質(zhì)。例如鋼以鐵為主元素，Al 合金以Al為主元素。但畢竟周期表中的常見(jiàn)元素?cái)?shù)量有限，以傳統(tǒng)的限制，以致常用的合金系統(tǒng)約30 種而已。如果我們

37、不受傳統(tǒng)方式的拘束以更多種元素同時(shí)作為主要元素，例如以Al、Co、Cr、Cu、Ni 五種元素等莫耳混成合金，同綜合果汁一樣，結(jié)果又會(huì)如何呢？有鑒于此，以中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者葉均蔚為首的一批材料學(xué)者，在經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，掌握了大量數(shù)據(jù)的前提下，于1996年首次提出了新的合金設(shè)計(jì)理念，將其命名為『高熵合金』，以突破傳統(tǒng)觀念的限制。</p><p>　　所謂高熵合金，強(qiáng)調(diào)的是高熵效應(yīng)，利用高熵來(lái)創(chuàng)造更多具應(yīng)用潛力的合金材料。為達(dá)到

38、高熵的效果，作者定義高熵合金須具有五個(gè)以上主要元素且每個(gè)主元素原子百分比應(yīng)介于5%至35%，而每個(gè)次要元素則小于5％。在這樣的組成下，預(yù)期該合金在液態(tài)或高溫的固溶態(tài)下具有高的混合熵，甚高于傳統(tǒng)合金，因而熵的效應(yīng)，甚于傳統(tǒng)合金。根據(jù)傳統(tǒng)物理冶金的認(rèn)知以及二元、三元相圖的觀察，一個(gè)具有如此多種元素合金，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生很多相以及介金屬化合物，而使其微結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，難以分析與應(yīng)用。然而事實(shí)非如此，因?yàn)楦哽匦?yīng)反而化繁為簡(jiǎn)，有促進(jìn)各元素混合為固溶相的

39、效果，使高熵合在高溫下先形成一或數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單固溶相，因而使高溫至低溫的相變化及所得的相比想像單純，但較容易分析，且更具應(yīng)用性。這是以往所未注意的一個(gè)效應(yīng)。</p><p>　　為何高熵效應(yīng)能促進(jìn)各元素合為固溶相呢？根據(jù)Boltzmann 熵和系統(tǒng)的復(fù)雜度的關(guān)連公式，可求出由元素態(tài)形成n 元等莫耳比固溶體時(shí)，每莫耳的組態(tài)熵(configurational entropy) 變化△Sconf 可以計(jì)算如下式所示：<

40、/p><p>　　􀜵􀯖􀯢􀯡􀯙􀯜􀯚 􀵌 􀵆􀜴 􀝈􀝊 􀟗</p><p><b>　　􀵌 􀵆􀜴

41、53242;</b></p><p><b>　　􀝊</b></p><p>　　其中 k 為Boltzmann 常數(shù)，Ω是混合方式的數(shù)目，R 是氣體常數(shù)(即8.314 J/K?mole)。舉例來(lái)說(shuō)，由3、5、6、9 及13 元所組成的等莫耳合金，其△Sconf分別是1.10R、1.61R、1.79R、2.20R 和2.57R。</

42、p><p>　　由Richard’s Rule，大部分金屬在熔點(diǎn)Tm 熔化時(shí)一莫耳的熵值變化約是一個(gè)R ( ≒ △Hfusion/Tm，其中△Hfusion 為熔解熱)。以三元等莫耳合金來(lái)說(shuō)，其△Sconf = 1.10R，即大于金屬熔化的熵值，更遑論五元以上的等莫耳合金，在1.61R以上。若再考慮其他因素如原子震動(dòng)、電偶矩、磁偶矩等亂度效應(yīng)的正向貢獻(xiàn)，等莫耳合金的混合熵比△Sconf 還高，多元的混合熵相較于鍵結(jié)能

43、是不容忽略的。由于合金中的相可分為固溶相及介金屬相兩大類(lèi)，每個(gè)相的混合自由能（相對(duì)于未混合的元素態(tài)）可寫(xiě)為△Gmix =△Hmix -T△Smix，所以兩狀態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)可做△Gmix 定性的比較，一個(gè)多元固溶相的特色是較大的混合熵 △Smix，較小的△Hmix，一個(gè)介金屬化合物相的特色是小△Smix，但較負(fù)的△Hmix，兩種相的競(jìng)爭(zhēng)也可看成 - T △Smix 與△Hmix 的競(jìng)爭(zhēng)，除非鍵結(jié)很強(qiáng)（△Hmix 很負(fù)）而主導(dǎo)形成介金屬，否則在高

44、溫下多元固溶相的混合熵將主導(dǎo)，具有較介金屬相低的自由能，也就是混亂排列固溶相較安定。當(dāng)然如果△Hmix 更小時(shí)，則低溫下 - T△Smix 也很能夠主導(dǎo)，而</p><p>　　那么，為何要定義高熵合金的元素?cái)?shù)目要大于等于五呢？這可由混合熵 (mixing entropy)與元素?cái)?shù)目的關(guān)聯(lián)來(lái)了解。依前述方程式可將n 元莫耳合金的混合熵與元素?cái)?shù)目n 的關(guān)系畫(huà)成曲線如下圖 所示，可發(fā)現(xiàn)元素?cái)?shù)目越大，混合熵增加的速度逐

45、漸減緩。相對(duì)于以一個(gè)元素為主的傳統(tǒng)合金，元素?cái)?shù)目大于五元時(shí)，混合熵顯然十分顯著的增加，而較能發(fā)揮高熵的效應(yīng)。不過(guò)元素太多對(duì)高熵效應(yīng)的增強(qiáng)效益不大，只是增加元素的復(fù)雜性而已，例如由五元至六元，混合熵增加11％，但由12 元增加到13 元，混合熵只增加3％。所以建議最多約以13 元為限。</p><p>　　高熵合的概念為合金設(shè)計(jì)帶來(lái)新的維度，使可能的合金系統(tǒng)因而呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)。例如我們?nèi)粲芍芷诒碇羞x出十三種常用元

46、素，利用這十三個(gè)元素來(lái)配制高熵合金，那么可得到的等莫耳合金系統(tǒng)數(shù)目如下式所示：</p><p>　　也就是說(shuō)，僅以十三種元素來(lái)配置高熵合金，就能得到超過(guò)七千種新的合金系統(tǒng)。若將周期表上的數(shù)十種常用元素都列入考慮，則可能的高熵系統(tǒng)數(shù)目顯然就是天文數(shù)字！</p><p>　　2.1.1固溶體混合熵</p><p>　　在熱力學(xué)上，熵(entropy)是代表一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的

47、混亂度的參數(shù)，如果混亂度越大，熵就越大。一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)中的原子振動(dòng)組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)、原子排列組態(tài)等都會(huì)影響系統(tǒng)的熵值，其中原子排列組態(tài)的影響最大，如果忽略其它組態(tài)對(duì)熵值的影響，則系統(tǒng)的熵以原子排列的混合熵為主?；旌响匾卜Q(chēng)組態(tài)熵，組態(tài)熵隨著合金中組元的組合方式的不同而不同，其反映合金中組元的組合方式，例如二元固溶體、空位固溶體與有序固溶體等組元組合方式不同，其組態(tài)熵也不同。熵(S)是熱力學(xué)幾率，組態(tài)熵 △S=KlnW。</p&

48、gt;<p>　　2.1.2 高熵合金的界定</p><p>　　如果合金的組元都是等摩爾比例，合金的混合熵隨著合金主元的個(gè)數(shù)的變化而變化的趨勢(shì)如圖2.1，可見(jiàn)，隨著合金元素個(gè)數(shù)的增加，合金的混合熵增加。臺(tái)灣學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金的主元個(gè)數(shù)n≥5時(shí)，合金生成固溶體，不易出現(xiàn)金屬間化合物，認(rèn)為合金的混合熵起著很大的作用，所以用混合熵來(lái)劃分合金世界。若合金組元都是等摩爾比，則每摩爾的合金的混合熵S=Rlnn，n

49、為主元個(gè)數(shù)，所以二、五主元合金的混合熵分別是：0.693R、1.61R，只有一個(gè)主元的合金的混合熵應(yīng)該小于0．693R，而五主元以上的合金的混合熵大于1．61R。以0.693R和1.61R為界線，可以把全部合金分為三大類(lèi)，即低熵合金、中熵合金與高熵合金，以1個(gè)元素為主的合金為低熵合金，2～4個(gè)元素為主的合金為中熵合金，5個(gè)主元以上(包含5個(gè))的合金為高熵合金，見(jiàn)圖2.2。</p><p>　　圖2.1合金的混合熵

50、隨合金主元個(gè)數(shù)的變化而變化趨勢(shì)</p><p>　　圖2.2以熵劃分的合金示意圖</p><p>　　2.2高熵合金的特點(diǎn)及性能</p><p>　　因?yàn)樵诟哽睾辖鹬胁淮嬖诨w元素，所以各種元素的原子都可以認(rèn)為是溶質(zhì)原子，因此在很大程度上就形成了飽和固溶體。固溶強(qiáng)化效應(yīng)抑制了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此能極大地提高這些合金的強(qiáng)度。北科大張勇教授課題組研究出的AlCoCrFeNi

51、Ti0.5高熵合金，由于形成了簡(jiǎn)單的體心立方結(jié)構(gòu)的固溶體后又有Laves相析出，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，因此合金的壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)到3140MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的Ti基、Zr基及Cu基等大塊非晶合金，不僅如此，該合金的塑性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大塊非晶合金。固溶強(qiáng)化這是高熵合金的強(qiáng)化機(jī)制之一。另外，根據(jù)以往的大量實(shí)驗(yàn)中所觀察到的微觀組織，表明納米結(jié)構(gòu)的晶體相的彌散分布產(chǎn)生了有效的沉淀強(qiáng)化。納米級(jí)的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)也能產(chǎn)生納米復(fù)合強(qiáng)化，有些情況下，合金中還會(huì)有非晶相

52、，由于非晶相的強(qiáng)度比晶相高，所以合金的強(qiáng)度將進(jìn)一步提高。以上所述的多種強(qiáng)化機(jī)制在不同程度上導(dǎo)致了高熵合金強(qiáng)度的提高。 </p><p>　　高熵合金的組織中可能含有非晶相，所以高熵合金也可能具有非晶態(tài)合金的特性。非晶相的原子排列是無(wú)規(guī)密堆的，沒(méi)有長(zhǎng)程序，只是局域地保持一定的短程序。因此，非晶相的結(jié)構(gòu)在宏觀上是各向同性的，沒(méi)有在晶相中常見(jiàn)的晶界、缺陷等各種局部不均勻。這樣就使得含有非晶相的高熵合金的力學(xué)性能與一般只

53、含有晶相的金屬頗為不同，具有自己的獨(dú)特的力學(xué)性能。晶態(tài)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)程有序的，由大量的晶界組成，這些晶界往往能誘發(fā)材料的晶界腐蝕而使材料的耐蝕性能大大降低。非晶的結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)程無(wú)序性，沒(méi)有晶界，所以形成非晶相的高熵合金的化學(xué)性能非常好，尤其是耐蝕性能更加顯著。同時(shí)由于非晶相內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較均勻沒(méi)有第二相，只是原子的短程序排列，所以合金具有良好的抵抗局部腐蝕的能力。 </p><p>　　鑄態(tài)高熵合金根據(jù)合金系統(tǒng)，其硬

54、度值范圍可從130HV到1100HV。如表2-1中所示，為幾種多主元合金的硬度值及耐腐蝕性能，表中列出了12種硬度值高于590HV的合金系，并列出了一些傳統(tǒng)合金的硬度值作對(duì)比。依不同元素組成，高熵合金的鑄態(tài)組織硬度變化為600HV~900HV，相當(dāng)于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化，或者更高，比一般的不銹鋼要好得多。而且在長(zhǎng)時(shí)間(12h)高溫(高達(dá)1000℃)熱處理下，硬度不致軟化而呈現(xiàn)優(yōu)越的回火軟化抗力，為碳鋼及合金鋼(僅高達(dá)550℃)所

55、不及，也比其它有色合金好，同時(shí)它們皆具有優(yōu)異的耐蝕性，尤其是含有Cu、Ti、Cr、Ni或Co的高熵合金，在高濃度硫酸、鹽酸、硝酸中不發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，亦為碳鋼或合金鋼所不及，與不銹鋼一樣。相比之下，沒(méi)有任何一種已知的傳統(tǒng)合金能在熔鑄后同時(shí)具備高硬度、耐熱和耐蝕這些特性，因此高熵合金具有極大的應(yīng)用前景。 </p><p>　　鑒于高熵合金擁有特殊的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)理念，因此高熵合金與傳統(tǒng)合金相比也擁有與眾不同的特點(diǎn)，下面

56、進(jìn)行總結(jié)：</p><p>　?、鸥哽睾辖饍A向于形成簡(jiǎn)單相結(jié)構(gòu)的BCC或FCC固溶體。根據(jù)吉布斯自由能公式所示：</p><p>　　式中T為熱力學(xué)溫度，Hmix為混合焓，Smix為混合熵，Gmix為吉布斯自由能。由公式很容易看出混合焓和混合熵之間的關(guān)系是相互對(duì)立、相互制約的，合金自由能便是它們結(jié)合的產(chǎn)物。簡(jiǎn)單BCC和FCC結(jié)構(gòu)固溶體的形成需要較低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，這就使得

57、合金的自由能極低，合金最終傾向于形成簡(jiǎn)單固溶體相。</p><p>　?、聘哽睾辖饍H在鑄態(tài)或是完全回火態(tài)下就會(huì)析出納米晶顆粒。這是因?yàn)楦哽睾辖鹪谌蹮挄r(shí)，各元素熔化后的原子混亂排列，凝固時(shí)這些原子很難進(jìn)行擴(kuò)散和再分配，這就有利于在合金基體內(nèi)部形成納米晶顆粒。</p><p>　?、歉哽睾辖饟碛袠O大的混亂度，特別是在高溫下，其混亂度將會(huì)變得更大。根據(jù)合金自由能越低，則合金系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定的原則，

58、高熵合金在高溫下的穩(wěn)定性依然極高，固溶強(qiáng)化依然存在，因此合金擁有極高的高溫強(qiáng)度。研究表明，高熵合金在1000℃的高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間(約12小時(shí))的熱處理后，硬度不降反升，與傳統(tǒng)合金形成了鮮明的對(duì)比，如下表2.1所示。</p><p>　　表2.1高熵合金與傳統(tǒng)合金回火比較</p><p>　　(4)高熵合金以簡(jiǎn)單BCC和FCC結(jié)構(gòu)固溶體存在時(shí)，由于組成元素之間在原子半徑、晶體結(jié)構(gòu)等方面存在差

59、異，高熵合金的固溶強(qiáng)化會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)效，導(dǎo)致位錯(cuò)在合金內(nèi)部難以進(jìn)行，因此合金硬度和強(qiáng)度都較高：而當(dāng)高熵合金以非晶結(jié)構(gòu)存在時(shí)，更是不存在位錯(cuò)，因此合金性能更強(qiáng)。</p><p>　　(5)高熵合金的主要組成元素至少5種以上，合金的晶格扭曲情況十分嚴(yán)重，因此合金的物理、化學(xué)性能以及機(jī)械性能也將會(huì)產(chǎn)生極大的變化。</p><p>　　(6)高熵合金中總有一些元素，如Al元素，會(huì)使合金產(chǎn)生致密氧化物，而

60、高熵合金通常都具有納米晶、非晶、單相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蝕性能比傳統(tǒng)合金更為優(yōu)秀。</p><p><b>　　2.3多主元效應(yīng)</b></p><p>　　高熵合金之所以微觀結(jié)構(gòu)上具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的固溶體，不傾向于出現(xiàn)金屬間化合物，傾向于納米化，甚至非晶；性能上，具有高的強(qiáng)度、硬度與加工硬化性，耐高溫氧化與軟化，具有良好的耐磨與耐蝕性，電阻率高等優(yōu)于傳統(tǒng)

61、合金的特征，是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)與性能特性都源于高熵合金具有多主元效應(yīng)，具體表現(xiàn)如下幾個(gè)方面。</p><p><b>　　2.3.1高熵效應(yīng)</b></p><p>　　對(duì)高熵合金的研究表明，當(dāng)合金由多種主要元素組成時(shí)，將產(chǎn)生高熵效應(yīng)，形成具有體心立方或面心立方等簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的固溶體相。這種現(xiàn)象可以根據(jù)Gibbs自由能方程解釋?zhuān)?</p><p&

62、gt;　　ΔGmix =ΔHmix-TΔSmix </p><p>　　當(dāng)混合焓改變不大時(shí)，混和熵越高，Gibbs自由能越負(fù)，體系的相越穩(wěn)定，由此表明，具有高熵狀態(tài)的固溶體形態(tài)可能是高熵合金的穩(wěn)定態(tài)?；旌响嘏c混合焓處于相互競(jìng)爭(zhēng)的地位，在高溫階段混合熵起主導(dǎo)作用。因此，隨機(jī)互溶狀態(tài)下高熵合金較大的混合熵就會(huì)相當(dāng)程度地?cái)U(kuò)展端際固溶體或金屬間化合物的溶解范圍

63、，從而形成簡(jiǎn)單的多組元互溶相，這種情況在高溫階段尤為明顯。高的混合熵增進(jìn)了元素間的兼容性，避免發(fā)生相分離而導(dǎo)致端際固溶體或金屬間化合物的生成。</p><p>　　2.3.2 晶格畸變效應(yīng)</p><p>　　高熵合金的晶格是多種原子所共同構(gòu)成。 由于各種元素原子大小不同，要共同排列成單一晶格必然會(huì)造成晶格的應(yīng)變。較大的原子會(huì)推擠旁邊的原子，而較小的原子旁則有多余的空間。圖2.3為單元素晶

64、格和高熵合金固溶相晶格的示意圖。可以明顯看到高熵合金中由于原子大小差異造成晶格扭曲以及晶格應(yīng)變現(xiàn)象。這些晶格應(yīng)變會(huì)提高能量狀態(tài)，也會(huì)對(duì)材料的許多性質(zhì)造成影響，例如晶格扭曲會(huì)使差排不容易前進(jìn)而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，由于高熵合金不再有所謂的『溶劑』原子，可以說(shuō)所有原子都是溶質(zhì)原子，因此其固溶強(qiáng)化的效果很大。另外，晶格的扭曲也會(huì)對(duì)電子和聲子產(chǎn)生散射，而使得高熵合金的導(dǎo)電與導(dǎo)熱效率較差。這些由于晶格扭曲造成的效應(yīng)，統(tǒng)稱(chēng)為晶格應(yīng)變效應(yīng)。</p>

65、;<p>　　高熵合金包含五種以上主要元素，因?yàn)楦鞣N元素的原子尺寸大小都不一樣，</p><p>　　如圖2.3，包含多種元素的晶格嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生強(qiáng)大的晶格畸變能，如果晶格畸變能太高，將無(wú)法保持晶體的構(gòu)型，畸變的晶格將會(huì)坍塌而形成非晶相。晶格畸變大大影響合金的物理化學(xué)性能，如導(dǎo)致固溶強(qiáng)化，影響合金的導(dǎo)電性、磁性、導(dǎo)熱性等。</p><p>　　圖2.3六主元合金的原子排列&l

66、t;/p><p>　　2.3.3緩慢擴(kuò)散效應(yīng)</p><p>　　一般而言，高熵合金中的擴(kuò)散速度較傳統(tǒng)合金慢。例如高熵合金在鑄造狀態(tài)下即常見(jiàn)大小僅數(shù)十奈米的析出物分布。這在傳統(tǒng)金屬中是罕見(jiàn)的。這些極小的析出物顯示高熵合金的擴(kuò)散與相變化速度是緩慢的。遲緩擴(kuò)散可帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)，例如說(shuō)使高熵合金在高溫時(shí)較不易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化如晶粒粗化，再結(jié)晶等，使熱穩(wěn)定性較佳。又例如高熵合金較容易獲得過(guò)飽和狀態(tài)，有利于析

67、出反應(yīng)。</p><p>　　由動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)可了解高熵合金緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，由于取代型原子(substitutional atom)主要是靠空缺機(jī)制(vacancy mechanism)來(lái)擴(kuò)散，所以具有多種元素的高熵合金基地，任一個(gè)空缺都面臨周?chē)煌卦拥母?jìng)爭(zhēng)，不同元素原子活動(dòng)力不同，活動(dòng)力較強(qiáng)（如熔點(diǎn)較低、鍵結(jié)較弱者）的原子，較活動(dòng)力較弱的原子易搶到空缺進(jìn)行擴(kuò)散，但還有一個(gè)因素得考慮，在一個(gè)元素為主且低溶質(zhì)含量

68、的傳統(tǒng)合金基地中，溶質(zhì)或溶劑原子跳入空缺的鍵結(jié)狀態(tài)與跳入空缺前是相同的，而多元的基地，原子跳入空缺前后所面鄰不同元素原子的鍵結(jié)情形卻不相同，若跳入后能量降低，則下一次再跳出就比較困難，若跳入后能量增加，則跳入時(shí)就比較困難，所以因?yàn)榇瞬町愋?，不論何種元素，其原子的擴(kuò)散變得較受牽絆，擴(kuò)散速率皆呈下降現(xiàn)象。尤有甚者，新相的成核成長(zhǎng)皆須各元素比例的重新分配，達(dá)到目標(biāo)成分才能成核或成長(zhǎng)，但因擴(kuò)散速率不同，擴(kuò)散較慢的元素成為決定相變化速率的控制因素

69、，因此多元的固溶相基地中原子的擴(kuò)散較緩慢且相變化總速變得較慢。</p><p>　　高熵合金的鑄態(tài)微觀組織傾向于納米化與非晶，主要原因與動(dòng)力學(xué)有關(guān)。因?yàn)橄嘧內(nèi)Q于合金中不同元素原子的協(xié)同擴(kuò)散與不同相的平衡分離。在高熵合金的鑄造過(guò)程中，液-固相變時(shí)，多個(gè)元素間的協(xié)同擴(kuò)散更為困難，而且嚴(yán)重的晶格畸變將減緩元素的擴(kuò)散速率，故高溫時(shí)相的分離很緩慢，甚至被抑制而延遲到低溫，這是鑄念的高熵合金出現(xiàn)納米析出物的根源。如果鑄造時(shí)

70、冷卻速率很大，原子這種緩慢的擴(kuò)散將抑制晶核的形成，合金將形成非晶質(zhì)。</p><p>　　2.3.4雞尾酒效應(yīng)</p><p>　　雞尾酒的英文名稱(chēng)是Cocktail，是一種以蒸餾酒為酒基，再配以果汁、汽水、礦泉水、利口酒等輔助酒水，水果、奶油、冰淋、果凍、布丁及其他裝飾材料調(diào)制而成的色、香、味、形俱佳的藝術(shù)酒品。它兼具了酒與果汁的長(zhǎng)處，而淘汰了自身的缺點(diǎn)。勾兌出效應(yīng)，融合成優(yōu)勢(shì)——這被人

71、們稱(chēng)之為“雞尾酒效應(yīng)”。對(duì)于高熵合金出現(xiàn)的各種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)與性能，S.Ranganathan稱(chēng)之為“Multimetallic Cocktails” ，也就是說(shuō)這種新型的合金也有“雞尾酒效應(yīng)”，因?yàn)楹辖鸢卸喾N元素，各種元素之間相互作用，兼具了各種元素的基本特性，又淘汰了各自的缺點(diǎn)，呈現(xiàn)出一種復(fù)合效應(yīng)?？梢酝ㄟ^(guò)添加或改變某些元素的含量，改善合金的微結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)其在合金中的特性，在不損害合金的性能的基礎(chǔ)上提升合金的某些性能。例如添加B元素

72、可以提高合金的耐磨性與高溫壓縮性能；Co、Cu、Ni元素促進(jìn)FCC結(jié)構(gòu)的生成，而Al、Cr促進(jìn)BCC結(jié)構(gòu)的生成，影響合金的強(qiáng)度。</p><p>　　高熵合金的性質(zhì)與組成元素的性質(zhì)有所關(guān)聯(lián)。比如說(shuō)，在高熵合金中添加輕元素，會(huì)降低高熵合金整體的密度。又如添加耐氧化的元素如Al、Cr、Si，也會(huì)使高熵合金抗氧化能力增加。然而除了元素各別的性質(zhì)外，還要元素彼此間的交互作用。舉例而言，Al 是一低熔點(diǎn)且較軟的金屬，加入高

73、熵合金卻可使合金硬化。圖2.4是AlxCoCrCuFeNi 合金中，合金硬度隨Al 含量的變化曲線。可以見(jiàn)到隨著Al 含量增加，合金的硬度急遽上升，由不含Al 的HV 133 增加到38at.% Al 時(shí)的HV 644。</p><p>　　此一強(qiáng)化有兩部分，一部份是因?yàn)锳l 含量增加時(shí)產(chǎn)生較硬的BCC 相。另一部分是Al 和此合金中的其他元素有強(qiáng)的鍵結(jié)，當(dāng)Al 添加時(shí)，無(wú)論是FCC 或BCC 相平均鍵結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)

74、，而使硬度增加。由此可見(jiàn)，高熵合金的整體性質(zhì)絕不是混合法則(rule of mixture)下各元素性質(zhì)的平均，而更包括元素間交互作用所產(chǎn)生額外變化量 (excessquantity)，所以雞尾酒效應(yīng)包含此兩部分。</p><p>　　圖2.4 AlxCoCrCuFeNi 合金硬度隨Al 含量的變化曲線</p><p>　　2.4高熵合金的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>

75、<b>　　高速切削用刀具</b></p><p>　　高熵合金具有較高的硬度和耐磨性。多數(shù)高熵合金的鑄態(tài)組織硬度為600～900H V，相當(dāng)于或者大于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化后的硬度；改變合金元素的含量，還可進(jìn)一步提高合金的硬度。而且高熵合金還通常表現(xiàn)出很高的耐熱性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在700～1000℃時(shí)效處理72h后，合金硬度非但沒(méi)有下降，反而有不同程

76、度的提升。普通高速鋼，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工溫度在600℃以內(nèi)，溫度再高，刀具會(huì)明顯鈍化。此外，高速鋼刃具在獲得高硬度、高耐磨性的同時(shí)，犧牲了鋼材的塑性及韌性，使刀具常常出現(xiàn)折斷、崩刃等失效形式。</p><p>　　而高熵合金在獲得高硬度的同時(shí)，具有較好的塑性、韌性。例如，F(xiàn)eCoNiCrCuAl0.5經(jīng)50％壓下率冷壓(即冷壓合金時(shí)的塑性變形量達(dá)到50％)后，非但沒(méi)有出現(xiàn)任何裂紋

77、，反而在枝晶內(nèi)部出現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)，大小約數(shù)納米到數(shù)十納米，合金硬度得到進(jìn)一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32％以內(nèi)的壓下率內(nèi)冷壓，也表現(xiàn)出非常好的延展性。這么大比例的壓下率，對(duì)于高速鋼來(lái)說(shuō)是不可想象的。故而高熵合金應(yīng)用于高速切削刀具的制造具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，磁控濺射法制備高熵合金鍍膜的成功，可以在普通鋼制刀具表面鍍上一層高熵合金薄膜，鍍膜厚度在2．5um以內(nèi)。這樣一來(lái)，既可以獲得良好的切削加工性能，又能節(jié)約成本。</p&

78、gt;<p><b>　　圖2.5</b></p><p><b>　　各類(lèi)工具鋼和模具鋼</b></p><p>　　高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度及優(yōu)良的耐高溫性能、耐蝕性，使之非常適合制備各類(lèi)工、模具，尤其是擠壓模和塑料模。例如A1CoCrFeNiTi1.5的抗壓強(qiáng)度高達(dá)2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高達(dá)1

79、100℃的優(yōu)異抗氧化性能。普通模具鋼則無(wú)法兼顧耐磨性、耐蝕性、耐高溫性及良好的塑性。</p><p><b>　　超高大樓的耐火骨架</b></p><p>　　美國(guó)“9·11”事件中，雙塔的整體坍塌很大程度上是因?yàn)榇髽枪羌茕摻钍軣岷髲?qiáng)度急劇下降，從而無(wú)法負(fù)荷大樓重量所致。隨著土地資源的緊缺，國(guó)內(nèi)外修建超高大樓的案例將越來(lái)越多，因而超高大樓的耐火安全性正引起

80、人們?cè)絹?lái)越多的重視。高熵合金具有極高的抗壓強(qiáng)度和優(yōu)良的耐高溫性能，用做超高大樓的耐火骨架，可以使大樓在發(fā)生意外火災(zāi)而導(dǎo)致樓體溫度較高時(shí)保持原有的承重能力，保證大樓的安全，減少人員和財(cái)產(chǎn)的損失。</p><p><b>　　圖2.6</b></p><p><b>　　渦輪葉片</b></p><p>　　高熵合金良好的塑性

81、使其易于制成渦輪葉片，而其優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性、高加工硬化率及耐高溫性能，可保證渦輪葉片長(zhǎng)期、穩(wěn)定地工作，提高服役安全性，減少葉片的磨損、腐蝕失效。</p><p><b>　　電子器件、通訊領(lǐng)域</b></p><p>　　高熵合金具有軟磁性及高電阻率，因而在高頻通訊器件中有很大的應(yīng)用潛力?？捎靡灾谱鞲哳l變壓器、馬達(dá)的磁芯、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光盤(pán)、高頻軟磁薄膜以

82、及喇叭等。</p><p>　　化學(xué)工程、船舶的耐蝕高強(qiáng)度材料</p><p>　　高熵合金的耐蝕性優(yōu)異，室溫條件下，高熵合金Cu0.5NiAlCoCrFeSi在lmol/L的NaCl和0.5mol/L的H2S04溶液中的耐蝕性比304不銹鋼(相當(dāng)于我國(guó)鋼號(hào)中的OCr18Ni9)還要好；CuAlNiCrTiSi合金在5％的HCl溶液中比304不銹鋼更加耐蝕，在10％的NaOH溶液中也遠(yuǎn)比A

83、309鋁合金耐蝕。因此，高熵合金可廣泛用于耐高壓、耐腐蝕化工容器及船舶上的高強(qiáng)度耐蝕件。</p><p><b>　?、烁郀柗蚯蝾^</b></p><p>　　高硬度、高耐磨性和較低的彈性模量，使高熵合金非常適合制作高爾夫球頭打擊面。高熵合金制成的高爾夫球頭，可以在保證球頭打擊面具有較長(zhǎng)使用壽命的同時(shí)，將球擊打得更遠(yuǎn)，從而提升產(chǎn)品檔次，增加產(chǎn)品附加值。</p&g

84、t;<p><b>　?、唐渌矫?lt;/b></p><p>　　高熵合金集眾多優(yōu)異性能于一身，可以應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域非常廣闊。除了上面提到的領(lǐng)域外，高熵合金還可用作焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料等。下面列舉幾類(lèi)高熵合金的應(yīng)用實(shí)例，如圖2.7</p><p>　　圖2.7 高熵合金應(yīng)用實(shí)例</p><p>　　高熵合金的非晶形成能力較

85、強(qiáng)，某些高熵合金能在鑄態(tài)組織中形成非晶相。而傳統(tǒng)合金要獲得非晶組織，需要極大的冷卻速度將液態(tài)原子無(wú)規(guī)則分布的組織保留到室溫。非晶態(tài)金屬的研究是近年來(lái)才興起的，由于結(jié)構(gòu)中無(wú)位錯(cuò)，具有很高的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性及特殊的磁學(xué)性能等，應(yīng)用也極為廣泛。制備非晶態(tài)高熵合金無(wú)疑將進(jìn)一步擴(kuò)大高熵合金的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　3 實(shí)驗(yàn)用材料的選擇及試樣的制備</p><p>　　3.1試

86、驗(yàn)用合金成分的選擇</p><p>　　選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si其純度為99.5%以上，按摩爾比為1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金,合金要求高熵合金總重在30～50克之間。</p><p>　　表3.1 高熵合金組元元素基本性質(zhì)</p><p>　　經(jīng)過(guò)計(jì)算各元素質(zhì)量配比如下：</p><p>　

87、　表3.2 各元素質(zhì)量表</p><p>　　本論文主要研究高熵合金系列為AlCrCoFeNiMoTiSi及</p><p>　　AlCrCoFeNiTiSi系列合金。通過(guò)計(jì)算并且利用電子天平配置出兩組高熵合金。</p><p><b>　　3.2試樣的制備</b></p><p>　　采用真空電弧爐熔鑄AlCrCoFe

88、NiMoTiSi髙熵合金，熔煉方法如下:</p><p><b>　　電弧熔煉法</b></p><p>　　真空電弧如圖3.1所示，由爐體、電源、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)組成。爐體部分由爐殼、電極、結(jié)晶器及電極升降裝置構(gòu)成。工作時(shí)，在電極(負(fù)極)和水冷銅結(jié)晶器(正極)形成的兩極之間，建立低電壓(20～40V)大電流(若干kA)，產(chǎn)生電弧放電，靠電弧釋放

89、出的熱量來(lái)熔化金屬。電爐一般是直流供電，一根電極。按照熔煉過(guò)程中電極是否消耗(熔化)，分成非自耗電極電弧爐熔煉和自耗電極電弧爐熔煉兩種。非自耗電弧爐，電極用鎢等高熔點(diǎn)材料制成，電弧熔煉時(shí)電極本身并不熔化，是永久性的。自耗電極電弧爐的電極采用被熔煉材料制成，如熔煉鈦時(shí)電極通常用海綿鈦壓制而成，在熔煉過(guò)程中電極本身被熔化。電極升降裝置隨著電極的不斷消耗使電極穩(wěn)定下降，以保持兩極的距離和電弧的穩(wěn)定。真空自耗電弧爐熔煉一般是在1.3～1.3&#

90、215;10-1Pa的爐內(nèi)壓力下進(jìn)行。電弧溫度可高達(dá)5000K。電極熔化的液滴通過(guò)弧區(qū)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的揮發(fā)、分解、化合等脫氣、去除雜質(zhì)的凈化作用，然后滴入水冷銅結(jié)晶器中凝固成鑄錠。真空電弧熔煉不使用耐火材料，熔煉高熔點(diǎn)難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮和活性很高的鈦和鋯時(shí)可不受耐火材料的污染。爐料邊熔化邊凝固可消除縮孔</p><p>　　圖3.1 真空電弧爐</p><p>　　以WK-П 型非自

91、耗真空熔煉爐為例如圖3.2，介紹真空熔煉爐的具體操作步驟：首先進(jìn)行預(yù)抽前級(jí)真空，接通控制柜電源；關(guān)好爐體抽氣閥，開(kāi)機(jī)械泵，推進(jìn)三通閥桿，開(kāi)擴(kuò)散蝶閥，打開(kāi)熱電偶測(cè)量低真空，抽到 6×10-2(E)Pa；開(kāi)擴(kuò)散冷卻水，開(kāi)擴(kuò)散泵，拉出三通閥，關(guān)好擴(kuò)散蝶閥，將擴(kuò)散泵預(yù)熱 30 分鐘至一個(gè)小時(shí)。然而在預(yù)抽前級(jí)真空時(shí)期可以先打開(kāi)真空爐的爐門(mén)，把預(yù)先配好的合金原料放在爐內(nèi)的樣品槽中，如圖 3.3 所示，圖中的坩堝材料為銅，中間位置是進(jìn)行吸鑄

92、用的水冷銅模具，如圖 3.3所示，周?chē)?4 個(gè)坩堝用來(lái)放置合金原材料和鈦錠。樣品放完之后關(guān)上爐門(mén)，將爐門(mén)上的四個(gè)旋鈕擰緊，然后緩慢的打開(kāi)爐體閥(主要防止機(jī)械泵中油冒出)對(duì)爐體進(jìn)行抽真空，此時(shí)為抽低真空，當(dāng)真空度為 0.2Pa 以下時(shí)全部打開(kāi)爐體閥，再次把爐門(mén)上的四個(gè)旋鈕擰緊。當(dāng)真空度達(dá)到 6×10-2Pa 時(shí)，把三通閥推進(jìn)，開(kāi)擴(kuò)散蝶閥，此時(shí)是利用擴(kuò)散泵對(duì)爐體進(jìn)行抽高真空，當(dāng)爐體的真空達(dá)到 5×10-3Pa 時(shí)，關(guān)閉

93、爐體閥，把三通閥拉出，關(guān)閉擴(kuò)散蝶閥，然后把爐體閥打開(kāi)，此時(shí)把氬氣瓶中的氬氣充入到爐體中至一個(gè)大氣壓，并且反復(fù) 2-3 次的操作，目的</p><p>　　金熔化到一定程度之后適當(dāng)?shù)脑黾与娏?，此時(shí)應(yīng)該同時(shí)迅速的打開(kāi)吸鑄閥使進(jìn)行合金的吸鑄，通過(guò)一段時(shí)間冷卻水的冷卻，取出吸鑄的樣品。此時(shí)吸鑄出的樣品是 φ = 6mm 的棒狀圓柱體，拿出樣品進(jìn)行表面的加工處理，待樣品表面加工處理之后按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)試樣進(jìn)行線切割，得到實(shí)驗(yàn)

94、所需試樣的尺寸，然后利用丙酮、去離子水和無(wú)水乙醇等化學(xué)藥品進(jìn)行試樣的清洗，清洗之后可利用吹風(fēng)機(jī)吹干試樣，等待下一步實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。</p><p>　　圖 3.2 WK-П 型非自耗真空熔煉爐</p><p>　　圖 3.3 銅質(zhì)坩堝和吸鑄模具</p><p><b>　　試樣的切割</b></p><p>　　將每個(gè)鑄錠切

95、成4分。</p><p><b>　　熱處理</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)需要比較熱處理前后對(duì)高熵合金力學(xué)性能的影響以及合金元素Mo元素的有無(wú)對(duì)高熵合金材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，所以需要準(zhǔn)備四塊材料，分為兩組，分別對(duì)含Mo的高山合金及不含Mo的高熵合金進(jìn)行熱處理。熱處理時(shí)需要從兩組中分別取出一塊試樣放在加熱爐中在1000℃下保溫三小時(shí)隨爐冷卻。</p>

96、;<p><b>　　試樣的鑲嵌</b></p><p><b>　　①儀器介紹</b></p><p>　　ZXQ-1自動(dòng)金相巖相試樣鑲嵌機(jī)，是樣件鑲嵌、磨拋前一道工序，對(duì)于微小并不易手拿或不規(guī)則的金相巖相試樣進(jìn)行鑲嵌。經(jīng)鑲嵌后便于對(duì)試樣進(jìn)行磨拋操作也有利于在金相顯微鏡下正常地觀察材料的組織。本機(jī)能自動(dòng)加溫、加壓，到了壓制成形后自

97、動(dòng)停機(jī)卸壓，再按一下按鈕自動(dòng)壓制樣件就自動(dòng)上來(lái)，即可取件。注：只限于熱固性材料（如電脲醛塑料粉、膠木粉之類(lèi)），溫度已調(diào)整和自動(dòng)。</p><p>　?、诮鹣嘣嚇予偳稒C(jī)操作步驟</p><p>　?、?先將定時(shí)器指向ON位置，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，將鑲嵌溫度設(shè)定在140℃；</p><p>　?、?順時(shí)針轉(zhuǎn)到手輪，將下模升起，將試樣放在下模上，再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，將下模下降到極

98、限位置；</p><p>　?、?在鋼模套腔內(nèi)加入熱固性塑料，放上上模；</p><p>　?、?合上蓋板，然后轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，試下模上升到壓力指示燈亮，如在加熱過(guò)程中指示燈滅，請(qǐng)?jiān)诶^續(xù)加熱到燈亮；</p><p>　?、?加熱、恒溫8到10分鐘，使試樣成型，然后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使下模下降；</p><p>　?、?松開(kāi)旋鈕和蓋板，在順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，

99、頂出試樣。</p><p><b>　　圖3.4鑲嵌機(jī)</b></p><p><b>　　試樣的打磨</b></p><p>　　用不同型號(hào)的砂紙打磨基體表面，放在煤油中清洗，最后再用電吹風(fēng)機(jī)將基體表面徹底吹干。</p><p>　　圖3.5 鑄態(tài)試樣 （左）含Mo 試樣01 （右）不含Mo試樣

100、02</p><p>　　圖3.6 退火態(tài)試樣（左）含Mo試樣03 （右）不含Mo試樣04</p><p>　　4 多主元合金力學(xué)性能分析</p><p><b>　　4.1維氏硬度試驗(yàn)</b></p><p><b>　　4.1.1儀器簡(jiǎn)介</b></p><p>　

101、　HV-1000型維氏硬度計(jì)是光機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，該機(jī)器造型新穎，具有良好的可靠性，可操作性和直觀性，是采用精密機(jī)械技術(shù)和光電技術(shù)的新型維氏和努普硬度測(cè)試儀器。</p><p>　　該機(jī)采用計(jì)算機(jī)軟件編程，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)軟鍵輸入，可選擇維氏和努氏硬度的測(cè)量、能調(diào)節(jié)測(cè)量光源的強(qiáng)弱，能選擇保荷時(shí)間，在LCD顯示屏上能顯示試驗(yàn)方法、試驗(yàn)力，通過(guò)面板輸入測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度、屏幕直接讀出硬度值，簡(jiǎn)便了查表的繁瑣

102、。使用方便，測(cè)量精度高。</p><p>　　硬度計(jì)適用于測(cè)定微小、薄形、表面滲鍍層試件的維氏硬度和測(cè)定玻璃、陶瓷、瑪瑙、人造寶石等較脆而又硬材料的努普硬度。是科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)及質(zhì)檢部門(mén)進(jìn)行研究和檢測(cè)的理想的硬度測(cè)試儀器。</p><p><b>　　圖4.1維氏硬度計(jì)</b></p><p><b>　　4.1.2實(shí)驗(yàn)原理</b

103、></p><p>　　維氏硬度試驗(yàn)原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是壓頭用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對(duì)面的夾角為136°，底面為正方形，如圖4.2所示。 維氏硬度試驗(yàn)基本原理是將兩相對(duì)面夾角為136°（兩相對(duì)棱夾角為148°6’42’’）的金剛石正四棱錐壓頭，在一定的試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持一定的時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，如圖4.3所示，以試驗(yàn)力除以

104、壓痕錐形表面積所得的商表示維氏硬度值。</p><p>　　圖4.2 維氏金剛石棱錐壓頭-圖 4.3 維氏硬度試驗(yàn)基本原理圖 </p><p>　　維氏硬度的計(jì)算公式為： 式中： HV—— 維氏硬度值（kgf/ mm2） F—— 試驗(yàn)力（

105、kgf） S—— 壓痕錐形表面積（mm2） d—— 壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度（mm） Θ—— 壓頭兩相對(duì)面夾角（136°） 當(dāng)試驗(yàn)力的單位為N時(shí)，維氏硬度值可由下面的公式得出： </p><p>　　4.1.3試驗(yàn)操作步驟</p><p>　　⑴據(jù)試樣材料及預(yù)計(jì)硬度范圍，選擇壓頭類(lèi)型和初、主載荷。</p><p>　?、聘鶕?jù)試樣形狀和大小，選擇適宜工

106、作臺(tái)，將試樣平穩(wěn)地放在工作臺(tái)上。</p><p>　　⑶順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)升降手輪，將試樣與壓頭緩慢接觸。</p><p>　　⑷加主載荷應(yīng)在4～8秒內(nèi)完成。待指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，再將主載荷卸除。</p><p>　　⑸逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)手輪，降下工作臺(tái)，取下試樣，或移動(dòng)試樣選擇新的部位，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 </p><p>　　4.1.4

107、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)</p><p>　?、旁谑褂帽緝x器前應(yīng)仔細(xì)閱讀使用說(shuō)明書(shū)，詳細(xì)了解儀器操作步驟及使用注意事項(xiàng)，</p><p>　　避免由于使用不當(dāng)而造成儀器損壞。</p><p>　　⑵儀器電器元件、開(kāi)關(guān)、插座安裝位置嚴(yán)禁自行拆裝，如果擅自拆裝將可能出錯(cuò)而</p><p><b>　　引發(fā)安全事故。</b></p&

108、gt;<p>　?、?本儀器試驗(yàn)力在加載或試驗(yàn)力未卸除的情況下，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)壓頭，否則會(huì)造成儀器</p><p>　　損壞。只能等試驗(yàn)力卸除后主屏幕回到操作界面時(shí)，才能轉(zhuǎn)動(dòng)壓頭。</p><p>　?、葍x器在測(cè)量狀態(tài)下，請(qǐng)不要施加試驗(yàn)力，如不小心按啟動(dòng)鍵，這時(shí)不能轉(zhuǎn)動(dòng)壓頭，</p><p>　　只有等待試驗(yàn)力施加完畢后，才能轉(zhuǎn)動(dòng)壓頭。</p>