,766 北京科技大学学报 第30卷 作为一种全新的合金体系，高熵合金无论理论 则达到2.35%.合金系室温压缩力学性能数据详见 研究还是实验研究结果都非常少，对这一合金化过 表2. 程的机理以及其中涉及到的诸多科学问题也缺乏研 2600 2400 All 究和认识，鉴于此，本研究制备了由八种过渡族金 2200 属元素组成的等原子比合金，并以此为基与A!组成 2000 A12 1800 伪二元合金系，通过结合该合金系的微观组织分析， 深入研究了该新型合金系的室温力学性能 1400 1200 1 实验材料及方法 #1000 800 600 实验所用原材料及其纯度如表1所示， 400 200 表1原材料及其纯度 % 2 Table 1 Purity of the elements used in this study 真应变% Al Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu 图1A10、A11、A12和A15合金室温压缩真应力一真应变曲线 99.9999.3899.8099.9899.7099.0099.9199.9899.95 Fig-1 Compressive true stress strain curves of Al0.All,Al2 and 首先利用中频感应炉将金属原材料按照等原子 Al5 alloys 的成分配比进行中间合金TiVCrMnFeCoNiCu的炼 表2AO,A1L,A2和A5合金室温压缩性能 制，然后按照理想配比将中间合金与铝混合，在高 Table 2 Room-temperature compressive properties of Al0.All.Al2 纯氩气保护气氛下电弧熔炼Al:TiVCrMnFeCoNiCu and Al5 alloys (x=0,1,2,5.3,分别由A10、A11、A12和A15表示) 合金 E/GPa cy/GPa Gm/GPa /% Al0 74.2 1.3 1.3 0 伪二元合金系铸锭，熔炼过程至少重复四次以保证 All 164.1 1.9 2.4 0.95 合金成分均匀，再利用水冷铜模喷流俦造法将熔炼 A12 190.1 1.5 2.0 2.35 好的合金锭制备成5mmX70mm的棒材. A15 163.2 1.5 1.5 0 用MTS8O9材料试验机测试合金的室温准静 态压缩力学性能，试样尺寸5mmX10mm,应变速 图2为合金系压缩断口SEM形貌，由图可知： 率1×10-4s1;用Cambridge S250MK2型扫描电 A0合金断面呈现层片状剥离和撕裂形貌，可观察 镜(SEM)观察压缩试样断口形貌；用MTS Nano 到密度很高的微小孔隙，由于合金多相共存，所以合 Indenter XP型纳米力学探针测试合金显微硬度，每 金是沿着相与相之间的界面断裂，其断裂形式为准 个区域在不同位置取三个点再取平均值；用Philips 解理断裂；A11合金断口凹凸不平，显然初始裂纹是 APD一1O型X射线衍射仪(CuKa)测定合金的X射 沿着晶界扩展最终导致失效，同时断裂面上存在许 线衍射(XRD)谱；用LE0-1450型扫描电镜(SEM) 多河流状花样和解理舌，为沿晶断裂结合解理断裂； 观察试样组织形貌；用Philips EM一4OOT型透射电 A12合金断裂面存在大量高密度的短而弯曲的撕裂 镜(TEM)和JEM一2000型高分辨透射电镜 棱线条，裂纹扩展不连续，有塑性变形的痕迹，为典 (HRTEM)观察薄膜样品组织形貌， 型的准解理断口形貌；AI5合金断裂形式为明显的 2实验结果 脆性解理断裂，断口平坦而光亮，断裂面上可看到河 流状花样、解理台阶和二次裂纹， 2.1室温压缩力学性能 2.2显微硬度 图1为合金系真应力真应变曲线，四种合金 图3所示为合金系枝晶及枝晶间隙显微硬度变 都具有很高的断裂强度，其断裂强度均大于 化曲线.由图可知，合金系无论枝晶还是枝晶间隙 1.3GPa·AI0与AI5两种合金在压缩过程中表现为 均具有很高的显微硬度，其中A15合金这两项指标 脆性断裂，其断裂强度分别为1.312GPa和 分别达到10.4GPa和11.1GPa;随着Al含量提高， 1.461GPa·AI1及A12两种合金除具有很高的断裂 枝晶间隙显微硬度近线性提高，枝晶显微硬度也逐 强度外，还呈现一定的压缩塑性和轻微的加工硬化： 步提高，但其提高幅度较为平缓，后三种合金的枝晶 Al1合金断裂强度达2.4GPa,塑性应变量为 显微硬度比较接近；除了A15合金外，其他三种合金 0.95%;A12合金断裂强度为2.0GPa,塑性应变量 枝晶比相应的枝晶间隙有更高的显微硬度，可以看作为一种全新的合金体系‚高熵合金无论理论 研究还是实验研究结果都非常少‚对这一合金化过 程的机理以及其中涉及到的诸多科学问题也缺乏研 究和认识．鉴于此‚本研究制备了由八种过渡族金 属元素组成的等原子比合金‚并以此为基与 Al 组成 伪二元合金系‚通过结合该合金系的微观组织分析‚ 深入研究了该新型合金系的室温力学性能． 1 实验材料及方法 实验所用原材料及其纯度如表1所示． 表1 原材料及其纯度 Table1 Purity of the elements used in this study ％ Al Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu 99∙99 99∙38 99∙80 99∙98 99∙70 99∙00 99∙91 99∙98 99∙95 首先利用中频感应炉将金属原材料按照等原子 的成分配比进行中间合金 TiVCrMnFeCoNiCu 的炼 制．然后按照理想配比将中间合金与铝混合‚在高 纯氩气保护气氛下电弧熔炼 Al xTiVCrMnFeCoNiCu （ x＝0‚1‚2‚5∙3‚分别由 Al0、Al1、Al2和 Al5表示） 伪二元合金系铸锭‚熔炼过程至少重复四次以保证 合金成分均匀‚再利用水冷铜模喷流铸造法将熔炼 好的合金锭制备成●5mm×70mm 的棒材． 用 MTS809材料试验机测试合金的室温准静 态压缩力学性能‚试样尺寸●5mm×10mm‚应变速 率1×10—4 s —1 ；用 Cambridge S250MK2型扫描电 镜（SEM）观察压缩试样断口形貌；用 MTS Nano Indenter XP 型纳米力学探针测试合金显微硬度‚每 个区域在不同位置取三个点再取平均值；用 Philips APD—10型 X 射线衍射仪（Cu Kα）测定合金的 X 射 线衍射（XRD）谱；用 LEO—1450型扫描电镜（SEM） 观察试样组织形貌；用 Philips EM—400T 型透射电 镜 （ TEM ） 和 JEM—2000 型 高 分 辨 透 射 电 镜 （HRTEM）观察薄膜样品组织形貌． 2 实验结果 2∙1 室温压缩力学性能 图1为合金系真应力—真应变曲线．四种合金 都具 有 很 高 的 断 裂 强 度‚其 断 裂 强 度 均 大 于 1∙3GPa．Al0与 Al5两种合金在压缩过程中表现为 脆性 断 裂‚其 断 裂 强 度 分 别 为 1∙312 GPa 和 1∙461GPa．Al1及 Al2两种合金除具有很高的断裂 强度外‚还呈现一定的压缩塑性和轻微的加工硬化： Al1合 金 断 裂 强 度 达 2∙4 GPa‚塑 性 应 变 量 为 0∙95％；Al2合金断裂强度为2∙0GPa‚塑性应变量 则达到2∙35％．合金系室温压缩力学性能数据详见 表2． 图1 Al0、Al1、Al2和 Al5合金室温压缩真应力—真应变曲线 Fig．1 Compressive true stress-strain curves of Al0‚Al1‚Al2and Al5alloys 表2 Al0、Al1、Al2和 Al5合金室温压缩性能 Table2 Room-temperature compressive properties of Al0‚Al1‚Al2 and Al5alloys 合金 E／GPa σy／GPa σmax／GPa εp／％ Al0 74∙2 1∙3 1∙3 0 Al1 164∙1 1∙9 2∙4 0∙95 Al2 190∙1 1∙5 2∙0 2∙35 Al5 163∙2 1∙5 1∙5 0 图2为合金系压缩断口 SEM 形貌．由图可知： Al0合金断面呈现层片状剥离和撕裂形貌‚可观察 到密度很高的微小孔隙‚由于合金多相共存‚所以合 金是沿着相与相之间的界面断裂‚其断裂形式为准 解理断裂；Al1合金断口凹凸不平‚显然初始裂纹是 沿着晶界扩展最终导致失效‚同时断裂面上存在许 多河流状花样和解理舌‚为沿晶断裂结合解理断裂； Al2合金断裂面存在大量高密度的短而弯曲的撕裂 棱线条‚裂纹扩展不连续‚有塑性变形的痕迹‚为典 型的准解理断口形貌；Al5合金断裂形式为明显的 脆性解理断裂‚断口平坦而光亮‚断裂面上可看到河 流状花样、解理台阶和二次裂纹． 2∙2 显微硬度 图3所示为合金系枝晶及枝晶间隙显微硬度变 化曲线．由图可知‚合金系无论枝晶还是枝晶间隙 均具有很高的显微硬度‚其中 Al5合金这两项指标 分别达到10∙4GPa 和11∙1GPa；随着 Al 含量提高‚ 枝晶间隙显微硬度近线性提高‚枝晶显微硬度也逐 步提高‚但其提高幅度较为平缓‚后三种合金的枝晶 显微硬度比较接近；除了 Al5合金外‚其他三种合金 枝晶比相应的枝晶间隙有更高的显微硬度．可以看 ·766· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷