冷轧+退火对CoCrNi中熵合金显微组织和力学性能的影响

张明旭, 徐 旺, 李涌泉, 董福元,3

(1. 北方民族大学 材料科学与工程学院, 宁夏 银川 750021;2. 北方民族大学 机电工程学院, 宁夏 银川 750021;3. 北方民族大学 粉体材料与特种陶瓷重点实验室, 宁夏 银川 750021)

高熵合金由5种或更多主元元素以等原子比或接近等原子比的多组元元素构成,高构型熵有助于固溶体结构的稳定性[1-2],这使高熵合金形成简单的固溶体结构而不是金属间化合物。多组元元素的不同原子尺寸会导致严重的晶格畸变[3]。(中)高熵合金因其卓越的力学性能而被研究者关注[4],尤其是在低温下的力学性能更为突出。然而,在室温下,许多(中)高熵合金表现出较低的屈服、抗拉强度。因此通过晶粒细化、沉淀强化等[5]方法强化(中)高熵合金就显得尤为重要。晶粒细化是最有效的强化方法,纯金属材料减小晶粒尺寸到纳米级范围可以提高强度到吉帕级,但纳米晶体材料及其合金经常受塑性限制[6]。冷轧和退火是调节组织和优化大块材料力学性能最有效的手段之一,已经广泛应用在工业生产中[7-8]。等原子比CoCrNi中熵合金(MEA)经过冷轧和退火后,在不牺牲韧性的前提下,强度提高显著[9]。Zheng等[10]运用冷轧和退火制备出具有非均匀组织的CoCrNi中熵合金,具有卓越的强度-韧性配比。本文研究了低温(-196 ℃)、室温(25 ℃)冷轧和退火后CoCrNi中熵合金的显微组织和力学性能,以期使合金具有良好的强度-韧性配比。

1 试验材料与方法

试验在真空感应熔炼炉和高纯氩气气氛下混合多种高纯金属(99.9wt%),为保证合金成分均匀,经多次熔炼及均匀化处理后得到铸态CoCrNi中熵合金。将得到的原始厚度为10 mm的试样,先在室温(25 ℃)及低温(-196 ℃)下进行92%变形量的冷轧,分别记为RR和CR试样,其中低温轧制时,为最小化控制因轧制过程中厚度较少而引发的温升问题,每次低温轧制前将试样浸泡在液氮中保证足够长的时间,直至盛有试样的液氮不再沸腾,重复多次后开始进行低温轧制。然后用箱式电阻炉(Y7H-5-12A)分别在700 ℃和800 ℃退火1 h,水冷,分别记为RR-700、RR-800和CR-700、CR-800试样。

使用DX-2700 X射线衍射仪(XRD)表征合金的晶体结构,试验采用Cu靶Kα辐射,管电压40 kV,管电流30 mA,扫描范围为40°～100°,扫描速率为4°/min。采用1.8 mL H2SO4+25 mL HCl+7.5 g CuSO4溶液对不同温度退火后的试样进行化学腐蚀,然后用ZISS光学显微镜(OM)和TM-4000Plus II扫描电镜(SEM)观察显微组织结构。采用HVS-1000硬度计测量试样的显微硬度,加载载荷1 kg,保载10 s,在试样表面测试5个点并取平均值。采用BM400型中走丝线切割机床加工20 mm×6 mm×0.8 mm 狗骨状拉伸试样,然后用CMT5305万能材料试验机测试材料的拉伸性能,应变速率为1×10-3s-1。

2 试验结果与分析

2.1 相分析

CoCrNi中熵合金经冷轧和退火后的XRD图谱如图1所示,可以看出,冷轧态和退火态CoCrNi中熵合金中仅有FCC相,表明合金为单一FCC相固溶体。值得注意的是,退火态的(200)γ、(311)γ峰相比较于冷轧态变化显著,表明在冷轧态下沿轧制方向的变形带状结构在700 ℃和800 ℃退火下逐步发生回复和再结晶,高密度位错以及高残余应力得到释放。

图1 冷轧和退火后CoCrNi中熵合金的XRD图谱

图2为CoCrNi中熵合金FCC相的EDS面扫描结果。合金元素含量分布较为均匀,各元素接近等原子比,没有明显的偏析现象。从XRD结果得到验证CoCrNi中熵合金为单相稳定的FCC结构。

图2 CoCrNi中熵合金FCC相的EDS面扫描结果

2.2 显微组织分析

CoCrNi中熵合金经冷轧和退火后的显微组织如图3所示。合金经过92%变形量的室温、低温冷轧后,晶粒转变成长带状晶粒,进一步退火后发生回复和再结晶,形成等轴晶以及出现在晶粒内部的退火孪晶。在室温进行冷轧时,700 ℃退火后合金中的变形带仍然明显,且出现了少量退火李晶、等轴晶和轧制变形后的细小晶粒,而800 ℃退火后的晶粒为等轴晶,在晶粒内部出现了退火孪晶。表明合金在700 ℃退火时仅发生部分再结晶,晶粒内部的位错密度逐渐减小,残余应力得到释放,合金在800 ℃退火时发生再结晶,晶粒内部位错密度较低,这导致合金在700 ℃退火下的强度高于800 ℃退火。与室温冷轧+退火相比,在低温进行冷轧时,700 ℃退火后的晶粒内部出现较多的退火孪晶,使合金的强度明显高于室温冷轧,而800 ℃退火过程中新晶粒的不断形核与长大可以有效地细化晶粒,因此合金800 ℃退火后的韧性高于700 ℃退火。

图3 CoCrNi中熵合金经冷轧和退火后的显微结构

2.3 力学性能分析

图4为CoCrNi中熵合金经冷轧和退火后的工程应力-应变曲线和力学性能。由图4(a, b)可以看出,经冷轧和退火后CoCrNi中熵合金表现出良好的拉伸性能。均匀延伸率和总延伸率随退火温度增加而增加,抗拉强度随退火温度增加而降低。其中,CR-700试样抗拉强度较RR-700试样、CR-800试样、RR-800试样抗拉强度分别提高16%、13%、37%。由图4(c)可以看出,合金经室温冷轧和低温冷轧后的硬度分别为479和493 HV,再经过700 ℃退火1 h后,合金的硬度分别降为330和340 HV。而经800 ℃退火1 h后的硬度则分别降至262和269 HV。可见合金在不同温度退火后的硬度均比冷轧后的硬度低,这是因为合金在退火时发生了回复以及再结晶。冷轧后合金内部的位错密度增加,位错缠绕形成位错胞,细化奥氏体晶粒,有效阻止位错的迁移,提高材料的强度和硬度,而退火后合金发生再结晶现象,晶粒为等轴晶,位错密度减小,由Hall-Petch公式((σy=σ0+kd-1/2,其中σy为屈服强度,σ0为摩擦力,k为常量,d为材料平均晶粒尺寸)可知,晶粒越大,强度越低。根据图3,合金经室温冷轧+700 ℃退火后存在明显的变形带状结构,再结晶比例相对较少,而低温冷轧+700 ℃退火后变形带状结构明显减少,且出现了退火孪晶,退火孪晶割裂并细化了奥氏体晶粒,退火孪晶及奥氏体晶界阻碍位错的运动,从而使低温冷轧+退火的强度和硬度高于室温冷轧+退火的强度。

图4 CoCrNi中熵合金经冷轧和退火后的力学性能

3 结论

1) CoCrNi中熵合金室温(25 ℃)及低温(-196 ℃)冷轧、700和800 ℃退火后仍为单相FCC结构。

2) 合金经低温冷轧+700 ℃退火后合金内部发生回复和再结晶现象,晶粒内部出现退火孪晶,细化晶粒,减小位错密度,释放了残余应力,其抗拉强度为1023 MPa,均匀延伸率和总延伸率分别为26%和34%,具有良好的强度-韧性配比。

3) 合金经低温冷轧+700 ℃退火后的变形带状结构明显少于室温冷轧+700 ℃退火,且出现了退火孪晶,退火孪晶割裂并细化了奥氏体晶粒,退火孪晶及奥氏体晶界阻碍位错的运动,因此低温冷轧+700 ℃退火的强度高于室温冷轧+700 ℃退火的强度。