高熵合金的接觸彈塑性行為

孫　淵

(上海電機學院 機械學院, 上海 201306)

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高熵合金的接觸彈塑性行為

孫淵

(上海電機學院 機械學院, 上海 201306)

摘要通過納米壓痕法研究了高熵合金AlCrCuFeNi2兩個區(qū)域的壓痕彈塑性行為，分析了載荷下最大壓痕深度、彈性回彈量、接觸剛度、彈性能和彈性回彈能力等。研究結果表明，區(qū)域Ⅰ的彈性模量和回彈量小于區(qū)域Ⅱ的彈性模量和回彈量；區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ的彈性回彈率基本相同，并隨著載荷的增加逐漸下降；區(qū)域Ⅰ的彈性能大于區(qū)域Ⅱ的彈性能，并隨著載荷的增加而增加；區(qū)域Ⅰ彈性回復能力大于區(qū)域Ⅱ的彈性回復能力，并且隨著載荷的增加逐漸下降；接觸剛度S與接觸深度hc基本成線性關系。

關鍵詞高熵合金; 納米壓痕; 壓入響應

Contact Elastic-Plastic Behavior of High-Entropy Alloys Using Nano-Indentation

SUNYuan

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractThe indentation elastic-plastic behavior in both domains Ⅰ and Ⅱ of high-entropy alloys AlCrCuFeNi2 is studied with a nano-indentation method. The maximum indentation depth, elastic recovery, contact stiffness, elastic energy and ratio of elastic energy to total energy are analyzed under load. The results show that elastic modulus and elastic recovery in domain Ⅰ is less than that in domain Ⅱ. The ratio of elastic recovery to maximum depth in both domains Ⅰ and Ⅱ is nearly the same and decreases with increase of load. The elastic energy in domain Ⅰ is larger than that in domain Ⅱ and increases with increase of load. The ratio of elastic energy to total energy in domain Ⅰ is higher than that in domain Ⅱ and decreases with increase of load. The contact stiffnessSkeeps linear relationship with contact depthhcin both domains Ⅰ and ⅠⅡ.

Keywordshigh-entropy alloy; nano-indentation; impression response

AlCrCuFeNi2高熵合金是“多主元高熵合金”中的一種，它具有獨特的機械性能，1995年中國臺灣學者葉均蔚[1]等，突破材料設計的傳統(tǒng)觀念提出新合金設計理念，制備多主元高熵合金或稱多主元高亂度合金，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構簡單的體心立方、面心立方相、非晶態(tài)、不傾向于出現(xiàn)金屬間化合物、具有納米析出物等結構特征，以及具有高強度、高硬度、耐回火軟化、耐磨等性能特性，此類合金同時具備以上優(yōu)異特性是多個主要合金元素的共同體現(xiàn)，也是高混和熵的體現(xiàn)；因此，高熵合金具有極為廣闊的應用前景。目前高熵合金的研究主要體現(xiàn)在高熵合金的制備、組織結構和維氏硬度的測試等方面，例如文獻[2]中利用X射線衍射與掃描電鏡能譜分析了AlCrCuFeNi高熵合金的組織結構，其具有面心立方(Face-Centered Cubic, FCC)和體心立方(Body-Centered Cubic, BCC)相結構，合金鑄態(tài)組織是典型的樹枝晶，鉻偏聚于晶內，而銅偏聚于枝晶間，AlCrCuFeNi高熵合金具有高硬度與耐回火軟化特性，鑄態(tài)硬度為HV 490，600℃退火后硬度還維持在HV 420，高熵合金的鑄態(tài)組織比較穩(wěn)定。文獻[3]中也利用X射線、掃描電鏡和透射電鏡等手段研究了AlCrCuFeNiCox(x=0，0.5，1.0)的組織結構和性能，鈷的加入使FCC和BCC相的晶格常數(shù)減少，顯微硬度提高，耐腐蝕性增加，具有較好的熱穩(wěn)定性。文獻[4]中同樣利用X射線、掃描電鏡研究了FeNiCrCuCo和FeNiCrCuMo的結構，其具有FCC相結構，但加入Al元素，替代Cu或Co后，呈現(xiàn)出FCC和BCC相結構，具有BCC相結構的顯微硬度高于FCC相結構。因此，Al元素的加入增加了合金的硬度。文獻[5]中研究了Alx(TiVCrMnFeCoNiCu)100-x(a(x)=0%，11.1%，20%，40%)的組織結構和性能，當a(Al)達到20%，合金由FCC和BCC相結構轉為BCC相結構，此時合金具有較高的抗壓強度，就Al11.1(TiVCrMnFeCoNiCu)88.9合金其抗壓強度達到2.431GPa。文獻[6]中研究了AlCrFeCoNi的結構組織和力學性能，其組織為BCC相結構和納米析出物，其屈服應力為1250.96MPa、抗壓強度為2004.23MPa、塑性應變達到32.7%。文獻[7]中研究了AlCrFeNiMox(x=0，0.2，0.5，0.8，1.0)的微觀結構和其機械性能，其中AlCr-FeNi、AlCrFeNiMo0.2和AlCrFeNiMo0.5合金具有2個BCC相結構，涉及到AlNi型和FeCr型，研究發(fā)現(xiàn)AlCrFeNiMo0.2具有極好的機械性能，其斷裂強度達到3222MPa，塑性應變?yōu)?.287，由于錳元素的加入使FeCr型轉變?yōu)镕eCrMo型，其維氏硬度從HV 472.4增加到HV 911.5。文獻[8]中描述了AlFeTiCrZnCu具有晶粒小于10nm的BCC相結構，在800℃燒結1h后，其組織結構穩(wěn)定，硬度可達到 2GPa，按照相同方法所制備的CuNiCoZnAlTi和NiFeCrCoMnW合金中具有相似的晶體結構。文獻[9]中研究了合金的加入對于結構的影響，F(xiàn)e20Cr20Mn20Ni20Co20合金為簡單的FCC相結構，加入Nb、Ti和V合金后呈現(xiàn)出相似的FCC相結構，帶負電的Cu和Ge合金在FCC相中較為不穩(wěn)定，沉淀于枝晶間。

綜上所述，國內外對高熵合金顯微組織的研究已取得了不少成果，主要研究高熵合金的元素種類、成分的變化對合金微觀組織結構和性能的影響，以及高熵合金制備方法和應用等，但是很少涉及研究高熵合金的彈塑性力學行為，而納米壓痕法研究材料的彈塑性力學性能較為廣泛[10-15]，因此，本文主要研究五元高熵合金AlCrCuFeNi2的壓痕彈塑性行為，探討在載荷下的壓入響應，為該高熵合金的進一步研究與應用提供參考。

1實驗

實驗材料為高熵合金AlCrCuFeNi2，通過熔鑄而成，直徑為5.6mm左右，為滿足納米壓痕硬度的測試要求，材料切斷后，鑲嵌在環(huán)氧樹脂中，然后用600、800和1200粒度的碳化硅砂紙逐步打磨，最后采用研磨膏將樣品表面精拋，消除上工序留下的劃痕，通過光學顯微鏡可以看出其結構。如圖1所示，它由2個區(qū)域組成，每個區(qū)域的形狀不規(guī)范，大多數(shù)的區(qū)域范圍大約在10μm，可以為納米壓痕提供足夠的壓痕區(qū)域。圖(a)和(b)均為在納米壓痕實驗下得到的壓痕形貌，并可以得到其壓痕深度、隆起量、壓痕面積等直觀的物理參數(shù)，描述其區(qū)域所表現(xiàn)出的彈塑性力學行為。

圖1　斷面結構圖和壓痕形貌Fig.1　Diagram of section structure and indentation

實驗采用的納米壓痕儀其型號為Hysitron TriboScope，位移精度為±0.04nm，載荷精度達±75nN，最大載荷為700mN，采用載荷模式加載，加載時間和卸載時間為20s，每一個載荷下重復進行壓痕實驗至少5次。壓頭為金剛石Berkovich壓頭，結合Quesant公司的原子力顯微鏡進行圖像觀察和掃描，通過壓痕實驗可以得到P-h曲線，在最大載荷Pmax下的最大壓痕深度hmax，卸載后由于彈性回復而殘留壓痕深度hf以及彈性回彈量δ、接觸剛度S、彈性能和塑性能等壓痕彈塑性行為。

2結果與討論

2.1壓痕參數(shù)

通過納米壓痕法，得到了在載荷范圍為(100～2000)μN下高熵合金AlCrCuFeNi2，其2個區(qū)域所對應的載荷和位移曲線。通常壓痕尺寸一般是周圍區(qū)域的1/10，對于在載荷2nN下，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ最大的壓痕深度在200～250nm，滿足壓痕實驗要求。在載荷下，試樣表面產(chǎn)生彈性和塑性變形，卸載后，發(fā)生塑性變形的隆起量和壓痕量不可恢復，并形成相應的壓痕形貌，圖1(a)和(b)分別為區(qū)域Ⅰ和Ⅱ在載荷1nN下通過原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)掃描得到的壓痕形貌以及壓痕周圍所形成的隆起量，區(qū)域Ⅰ的壓痕形貌大小和隆起量高度均小于區(qū)域Ⅱ的形貌大小和隆起量高度，說明區(qū)域Ⅰ的組織結構具有較高的抗變形能力，塑性變形程度相對較小。通過載荷/位移曲線，可以直觀地描述載荷下的壓痕行為，在Pmax下的hmax，卸載后由于塑性變形而形成的不可恢復的hf。圖2所示描述了區(qū)域Ⅰ和Ⅱ在載荷下的hmax、hf的關系，隨著載荷的增加而以不同的斜率增加，在同一載荷下，區(qū)域Ⅰ的hmax和hf均小于區(qū)域Ⅱ的hmax和hf。

圖2　hmax和hfFig.2　　　Maximum indentation depth and　　　residue indentation depth

接觸剛度是描述互相接觸的兩表面抵抗變形的能力，定義為

S=dP/dh

在壓入過程中接觸深度hc可表示為卸載曲線頂部切線即接觸剛度和橫軸的交點，其值為

其中，ε是一個依賴于壓頭幾何形狀的常數(shù)，對Berkovich壓針，ε=0.75[16]；S與接觸面積A和材料彈性模量Er之間的關系為

假定材料彈性模量穩(wěn)定在某一個范圍內，則S與hc是線性關系。圖3分別描述了S和hc在載荷作用下的關系，它們均隨著載荷的增加而以一定斜率增加；而且隨著hc的不斷增加S也不斷增加，S與hc基本成線性關系。為了進一步反映S和hc之間的關系，對它們進行了線性擬合。區(qū)域Ⅰ的關系可表示為

SⅠ=0.5168hc+16.5

區(qū)域Ⅱ的關系為

SⅡ=0.9998hc+22.6

因此，可以分析得出，區(qū)域Ⅱ的彈性模量大于區(qū)域Ⅰ的彈性模量。

圖3　S和hcFig.3　Contact stiffness S and contact depth

卸載后，由于材料的彈性回彈和能量釋放，將產(chǎn)生一定的回彈量，其值為

δ=hmax-hf

其彈性回彈率表示為

ξ=δ/hmax

圖4描述了區(qū)域Ⅰ和Ⅱ在載荷下的δ和ξ，區(qū)域Ⅰ的δ小于區(qū)域Ⅱ的δ，并均隨著載荷增加而增加；但是區(qū)域Ⅰ的ξ與區(qū)域Ⅱ的ξ基本上相同，并隨著載荷增加其彈性回彈率逐漸下降，區(qū)域Ⅰ的ξ由0.71下降到0.45左右，區(qū)域Ⅱ的ξ由0.70下降到0.43左右。

圖4　彈性δ與δ/hmaxFig.4　　　Elastic recovery and ratio of elastic　　　recovery to maximum depth

2.2彈性能和回彈能力

在加載過程中，材料將發(fā)生不同程度的彈塑性變形，由于載荷作用，在這過程中所產(chǎn)生的總能量為Etotal，其值為

同樣通過卸載曲線可以描述彈性回復能

在壓入過程中材料發(fā)生彈塑性變形產(chǎn)生塑性流動，形成不可回復的塑性位移而做的塑性能為

其塑性能反映了材料儲存能量的大小，而彈性能反映了材料的彈性回彈能量的大小，并通過彈性能量回復率η描述材料回彈能力，即彈性能與總能量之比η=Eelastic/Etotal。圖5所示描述了區(qū)域 Ⅰ 和 Ⅱ 的彈性能和彈性回彈能力，區(qū)域 Ⅰ 的彈性能Eelastic大于區(qū)域 Ⅱ 的Eelastic，并隨著載荷增加而增加；區(qū)域 Ⅰ 彈性回復能力η大于區(qū)域 Ⅱ 的η，并且隨著載荷增加逐漸下降，在載荷2nN作用下區(qū)域 Ⅰ 彈性回復能力η下降為0.17，區(qū)域 Ⅱ 的彈性回復能力η下降為0.09，與區(qū)域 Ⅰ 比較，區(qū)域 Ⅱ 在載荷下產(chǎn)生了較大的不可回復塑性變形和儲存了較大塑性能。

圖5　彈性能Eelastic和彈性回彈能力Eelastic/EtotalFig.5　　　Elastic energy and ratio of elastic　　　energy to total energy

3結論

(1) 高熵合金AlCrCuFeNi2在光學顯微鏡下可以看到具有2個區(qū)域，采用納米壓痕法研究了這兩個區(qū)域的壓痕彈塑性行為，通過AFM掃描得到了在不同載荷下壓痕形貌以及壓痕周圍所形成的隆起量，區(qū)域Ⅰ的壓痕形貌大小、隆起量高度均小于區(qū)域Ⅱ的形貌大小、隆起量高度，說明區(qū)域Ⅰ的組織結構具有較高的抗變形能力，塑性變形程度相對較小。

(2) 在載荷100～2000μN范圍內的hmax以及卸載后由于彈性回復而hf均隨著載荷增加而以不同的斜率增加，區(qū)域Ⅰ的hmax和hf均小于區(qū)域Ⅱ的hmax和hf。

(3) 兩區(qū)域內的S和hc基本成線性關系，區(qū)域Ⅰ的關系可表示為：SⅠ=0.5168hc+16.5；區(qū)域Ⅱ的關系為：SⅡ=0.9998hc+22.6。

(4) 區(qū)域Ⅱ的彈性模量大于區(qū)域Ⅰ的彈性模量；區(qū)域Ⅰ的δ小于區(qū)域Ⅱ的δ，并均隨著載荷增加而增加；但是區(qū)域Ⅰ的ξ與區(qū)域Ⅱ的ξ基本上相同，并隨著載荷增加其彈性回彈率逐漸下降，區(qū)域Ⅰ的ξ由0.71下降到0.45左右，區(qū)域Ⅱ的ξ由0.70下降到0.43左右。

(5) 區(qū)域Ⅰ的彈性能Eelastic大于區(qū)域Ⅱ的彈性能Eelastic，并且隨著載荷增加而增加，區(qū)域Ⅰ彈性η大于區(qū)域Ⅱ的η，并且隨著載荷增加逐漸下降，與區(qū)域Ⅰ比較，區(qū)域Ⅱ在載荷作用下產(chǎn)生了較大的不可回復的塑性變形和儲存了較大的塑性能。

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文獻標識碼A

中圖分類號TB 302.3

文章編號2095 - 0020(2016)01 -0007 - 05

作者簡介：孫淵(1969-)，女，教授，博士，主要研究方向為機械制造及其自動化，E-mail： suny@sdju.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目資助(10804071)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目資助(11YZ269)；上海電機學院登峰學科建設項目資助(15DFXK02)

收稿日期：2015 - 11 - 25