矿冶工程杂志

热处理工艺	相应试样名称
铸态	A5-cast，A8-cast，A12-cast，A15-cast
均匀化+热轧+700 ℃退火1 h	A5-700，A8-700，A12-700，A15-700
均匀化+热轧+800 ℃退火1 h	A5-800，A8-800，A12-800，A15-800
均匀化+热轧+900 ℃退火1 h	A5-900，A8-900，A12-900，A15-900

热处理工艺	相应试样名称
铸态	A5-cast，A8-cast，A12-cast，A15-cast
均匀化+热轧+700 ℃退火1 h	A5-700，A8-700，A12-700，A15-700
均匀化+热轧+800 ℃退火1 h	A5-800，A8-800，A12-800，A15-800
均匀化+热轧+900 ℃退火1 h	A5-900，A8-900，A12-900，A15-900

合金名称	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断裂延伸率/%
A5-900	173±2	565±5	59.25±0.52
A8-900	371±6	711±3	32.33±0.27
A12-700	623±11	1 045±12	26±0.18
A12-800	595±5	1 029±9	30.88±0.21
A12-900	593±4	1 009±11	32.13±0.39
A15-900	878±7	1 240±16	19.38±0.26

合金名称	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断裂延伸率/%
A5-900	173±2	565±5	59.25±0.52
A8-900	371±6	711±3	32.33±0.27
A12-700	623±11	1 045±12	26±0.18
A12-800	595±5	1 029±9	30.88±0.21
A12-900	593±4	1 009±11	32.13±0.39
A15-900	878±7	1 240±16	19.38±0.26

Al含量对FeNiCoCrVAl高熵合金组织和力学性能的影响

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尹荣 , 章立钢

矿冶工程杂志 | 材料 2024,44(3): 170-175

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矿冶工程杂志 | 材料 2024, 44(3): 170-175

Al含量对FeNiCoCrVAl高熵合金组织和力学性能的影响

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尹荣, 章立钢

作者信息

中南大学　材料科学与工程学院，湖南　长沙　410083

尹荣（1999—），女，安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为高熵合金的微观组织和力学性能。E-mail：yinrong9999@163.com

通讯作者:

章立钢（1982—），男，浙江上虞人，博士，教授，主要从事相图计算与材料设计工作。E-mail：ligangzhang@csu.edu.cn

Effect of Al Content on Microstructure and Mechanical Properties of FeNiCoCrVAl High-Entropy Alloys

Rong YIN, Ligang ZHANG

Affiliations

School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China

出版时间: 2024-06-01 doi: 10.3969/j.issn.0253-6099.2024.03.036

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摘要

收起

通过XRD、SEM、EBSD和单轴拉伸测试，对不同Al含量（原子分数，%）Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x（x=5，8，12，15）高熵合金的相结构、显微组织和力学性能进行了系统研究。结果表明，随着Al含量增加，Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x高熵合金相结构由FCC单相转变为FCC+BCC双相结构，且强度随之增加，而塑性降低。其中，Fe₃₄Ni₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al₁₂高熵合金在900 ℃退火处理后，具有极好的强塑性匹配，其屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为593 MPa、1 009 MPa和32.13%。Al含量5%时，铸态和退火态高熵合金均为单一FCC相；Al含量8%，12%和15%时，高熵合金为FCC+BCC双相结构，退火处理促进了BCC相的析出，随着退火温度升高，BCC相占比增加。

关键词

高熵合金 / FeNiCoCrV / Al含量 / 显微组织 / 力学性能 / 强塑性匹配

Abstract

收起

The phase structure, microstructure and mechanical properties of Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x (x=5, 8, 12, 15) high-entropy alloys with different Al contents (atom fraction, %) were systematically investigated by using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD) and performing uniaxial tensile test. The results show that with the increase of Al content, the phase structure of Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x high-entropy alloys transforms from single-phase structure of face-centered cubic (FCC) to dual-phase structure of FCC and body-centered cubic (BCC). Also, the strength increases and ductility decreases. The Fe₃₄Ni₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al₁₂ high-entropy alloy annealed at 900 ℃ exhibits an excellent strength-ductility balance, with yield strength, tensile strength and elongation to failure at 593 MPa, 1009 MPa and 32.13%, respectively. With Al content of 5%, the as-cast and annealed high-entropy alloys remain single FCC phase. However, with Al content of 8%, 12% and 15%, the high-entropy alloys all become FCC-BCC phase. The annealing treatment promotes the precipitation of BCC phase, and the proportion of BCC phase increases with increasing annealing temperature.

Key words

high-entropy alloys / FeNiCoCrV / Al content / microstructure / mechanical properties / strength-ductility balance

引用本文

尹荣, 章立钢. Al含量对FeNiCoCrVAl高熵合金组织和力学性能的影响. 矿冶工程杂志, 2024 , 44 (3) : 170 -175 . DOI: 10.3969/j.issn.0253-6099.2024.03.036

Rong YIN, Ligang ZHANG. Effect of Al Content on Microstructure and Mechanical Properties of FeNiCoCrVAl High-Entropy Alloys[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2024 , 44 (3) : 170 -175 . DOI: 10.3969/j.issn.0253-6099.2024.03.036

正文

收起

2004年，Cantor^[1]和Yeh等人^[2]首次提出了高熵合金的概念，为合金设计提供了一种新的理念。近年来，高熵合金的概念进一步发展，已不再局限于传统的近等原子比的合金设计原则，非等原子比高熵合金这一概念也被提出^[3]，极大地拓展了高熵合金的发展思路。其中，Fe-Ni-Co-Cr系高熵合金是研究极为广泛的经典体系。向高熵合金中添加元素及成分调节，可以调控合金的相组成，从而改善合金力学性能，其中研究最多的是添加Al元素^[4-8]。Fe、Ni、Co、Cr处于同一周期，它们原子半径相近；而Al原子相较于这4种元素具有更大的原子半径，因此，向Fe-Ni-Co-Cr高熵合金中添加Al元素，将会导致严重晶格畸变，高熵合金的相结构及性能会发生改变。基于此，本文以Fe-Ni-Co-Cr体系为基础，采用真空电弧熔炼技术制备了不同Al含量Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x（x=5，8，12，15，原子分数，%，下同）高熵合金试样，并对其相结构、显微组织和力学性能进行了表征分析，研究Al含量和退火温度对该体系高熵合金显微组织和力学性能的影响规律，以期为制备具有良好综合力学性能的高熵合金提供参考。

1　实验

收起

采用高纯度（>99.99%）的Fe、Ni、Co、Cr、V和Al颗粒为原料，在充满高纯氩气的非自耗真空电弧炉中制备Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x（x=5，8，12，15）高熵合金试样，将不同成分的合金样品分别记为A5、A8、A12和A15。将获得的铸态高熵合金在1 000 ℃均匀化处理10 h，随后水淬。之后再加热至1 000 ℃进行热轧，轧制变形量为60%。根据文献[9-10]，将热轧态样品在700 ℃，800 ℃和900 ℃退火1 h，随后进行水淬。实验涉及的热处理都在真空管式炉中进行，并在水中淬火。

表1给出了详细的处理工艺和相应的试样名称。

使用D/Max 2500VB X射线衍射分析仪（XRD）分析高熵合金试样物相结构，扫描范围20°～100°，扫描速度8°/min。使用搭载电子背散射衍射仪（EBSD）和能谱（EDS）的MIRA3 XMU扫描电子显微镜（SEM）表征试样显微结构、断口形貌和化学成分。EBSD表征在工作电压20 kV、样品倾斜度70°情况下进行，使用FCC铁和BCC铬作为基础晶体结构，并使用ATEX软件^[11]对EBSD结果进行分析。使用电火花线切割从块状样品中切割出尺寸为16 mm×4 mm×1 mm的狗骨形拉伸试样。使用Inteston3369万能力学试验机进行室温单轴拉伸测试，应变速率为1.0×10^-3 s^-1。

2　实验结果与讨论

收起

2.1　合金的相组成

图1为Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x（x=5，8，12，15）高熵合金的XRD图谱和700 ℃退火态试样的EDS谱图。由图1可以看出，Al含量5%时，XRD图谱中仅出现了FCC相的衍射峰，表明高熵合金为FCC单相。相应的EDS谱图中，各元素均匀分布，不存在元素偏析。Al含量8%时，可以观察到有BCC相的衍射峰出现，在衍射角2θ为44.4°和81.8°处的衍射峰分别对应于BCC相的（110）和（211）晶面。随着Al含量增加，BCC相衍射峰增多，A12和A15高熵合金具有一致的衍射峰。其中，对应于衍射角2θ=30.8°的（100）晶面超衍射峰的出现证明有序B2相的存在。因此，高熵合金的BCC相由有序BCC（B2）相和无序BCC相组成。根据图1中的XRD图谱可知，热轧和退火处理均未导致高熵合金相结构发生变化，均与铸态高熵合金的相结构相一致。说明各成分高熵合金的相结构均具有高温稳定性。

Al含量8%时，高熵合金中出现BCC相，且随着Al含量增加，BCC相在高熵合金中的占比不断提高。其中EDS谱图表明，随着Al含量增加，高熵合金各相的富集情况并未发生变化。在FCC相中富集Fe和Cr元素，在BCC相中富集Al和Ni元素，而Co和V元素在FCC和BCC相中分布比较均匀。该结果表明，随着Al含量增加，FeNiCoCrVAl高熵合金的相组成由FCC单相转变为FCC+BCC双相结构。

2.2　合金的微观结构

图2为铸态和退火态Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x（x=5，8，12，15）高熵合金的微观组织图像。从图2可以观察到，A5高熵合金的表面形貌并没有发生太大变化，说明热轧和退火处理并未对A5试样组织形貌产生明显影响。A5高熵合金的铸态和退火态试样的显微组织均为浅灰色，并未显示出明显的组织特征。结合图1（a₁）综合分析可知，浅灰色组织为FCC相，即A5高熵合金始终为单一的FCC相结构。由图2并结合图1的XRD图谱分析可知，A8、A12和A15试样均为FCC+BCC双相结构，组织形貌呈现典型的树枝晶形貌。其中浅灰色的枝晶区域为FCC相，深灰色的枝晶间区域为BCC相。在FeNiCoCr基高熵合金中，Al元素的添加起到促进BCC相形成的作用。因此，随着Al含量增加，BCC相所占面积明显增加。其中，A8和A12铸态试样，经过高温退火处理，FCC相中析出大量细长棒状的BCC相，表明A8和A12铸态高熵合金的FCC相是过饱和固溶体，高温热处理过程发生过饱和相脱溶分解，形成细小均匀分布的短棒状BCC相^[12]。A15试样的微观组织与A8和A12试样有所不同，铸态和退火态的组织形貌明显细化，整体上为细小的树枝晶结构，BCC相均匀分布在FCC相基体上。

图3为A8和A12铸态高熵合金试样的EBSD图。反极图（IPF图）中不同颜色代表不同的晶粒取向；晶界图（GB图）中红线代表低角度晶界（LAGBs，2°≤θ<15°），黑线代表高角度晶界（HAGBs，θ≥15°）；相分布图中红色代表FCC相，蓝色代表BCC相。从图3可以观察到，A8铸态试样为FCC+BCC双相结构，在细长FCC晶粒的晶界上分布着细小的BCC相晶粒。与其他元素相比，Al原子半径明显更大，因此，Al原子的加入会引起严重的晶格畸变，从而导致相结构发生变化。而Al和Ni之间的混合焓较低，因此，Al和Ni之间具有较高的结合力，容易形成层错能低的富集Al-Ni的BCC相^[13]。A8铸态高熵合金中FCC相占99.57%，BCC相占0.43%。随着Al含量增加，A12高熵合金中BCC相的占比也随之增加到11.16%；BCC相沿着FCC相的晶界分布或分布在FCC基体内部。BCC作为硬脆相，在拉伸过程中更难变形从而容易达到应力集中，起到提升强度的作用。

2.3　金的力学性能

图4（a）为Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x（x=5，8，12，15）高熵合金在900 ℃下退火处理1 h后试样的工程应力-应变曲线。由图4（a）可知，A5-900试样具有极好的塑性，断裂延伸率为59.25%，但是其强度较低，屈服强度仅为173 MPa。这可以归因于A5高熵合金试样为FCC单相结构，具有FCC结构金属典型的低强度高塑性的特征。在同一退火温度下，随着Al含量增加，高熵合金屈服强度和抗拉强度显著提高，而延伸率下降。Al含量从8%增加到12%时，其屈服强度显著提高，而延伸率仅略微降低。因此，A12高熵合金具有相对更好的强塑性匹配。

图4（b）为A12高熵合金在700、800、900 ℃下退火处理1 h试样的工程应力-应变曲线。由图4（b）可知，退火温度的变化对A12高熵合金试样的强度和塑性影响较小。结合图2综合分析可知，退火温度的变化对A12高熵合金的组织形貌影响较小，A12-800和A12-900试样的组织形貌十分相似，因此两者的强度和塑性仅发生微小变化。

Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x高熵合金的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率见表2。随着退火温度从700 ℃升高到900 ℃，A12试样的屈服强度从623 MPa降低到593 MPa，延伸率从26%增加到32.13%。因此，A12-900试样具有更好的强塑性匹配。

图5为Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x（x=5，8，12，15）高熵合金在900 ℃下退火处理1 h后试样的断口形貌图。从图5可以观察到，A5试样的断口形貌主要由不同大小和深浅的韧窝构成，表明其断裂方式为韧性断裂。A8和A12试样的断口形貌较为相似，在断口处可以观察到准解理面和韧窝的存在，因此其断裂机制为脆韧混合断裂。A15试样的断口表面可以观察到少量韧窝存在，以及类似“河流状花样”的形貌存在。因此，A15高熵合金试样的断裂机制也为脆韧混合断裂机制。

3　结论

收起

1）在Fe_46-_xNi₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x高熵合金中，Al元素的加入促进了BCC相的形成；随着Al含量增加，高熵合金相组成由FCC单相转变为FCC+BCC的双相结构。

2）退火处理并未对A5高熵合金组织形貌产生明显影响，始终为单一的FCC相。FCC+BCC双相固溶体结构的A8、A12和A15高熵合金，退火处理促进了BCC相的析出，随着退火温度升高，BCC相占比增加。

3）在同一退火温度下，随着Al含量增加，Fe_46-_x-Ni₂₀Co₂₀Cr₁₀V₄Al_x高熵合金强度增加，塑性下降。退火态高熵合金的强度随退火温度升高而降低，而塑性随之增加。A12-900高熵合金试样具有极好的强塑性匹配，其屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为593 MPa、1 009 MPa和32.13%。

基金

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国家自然科学基金(51871248)

参考文献

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文献

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排序方式：

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2024年第44卷第3期

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doi: 10.3969/j.issn.0253-6099.2024.03.036

接收时间：2023-12-24
首发时间：2026-03-17
出版时间：2024-06-01

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收稿日期：2023-12-24

基金

国家自然科学基金(51871248)

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中南大学　材料科学与工程学院，湖南　长沙　410083

通讯作者:

章立钢（1982—），男，浙江上虞人，博士，教授，主要从事相图计算与材料设计工作。E-mail：ligangzhang@csu.edu.cn

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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