1、本科毕业论文（20 届）AlCrCoFeNi 高熵合金相图分析所在学院专业班级 材料成型及控制工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目：AlCrCoFeNi 高熵合金相图分析 1设计的主要任务及目标通过本次毕业计，了解相图计算的方法；学习相图计算 Pandat 软件；分析AlCrCoFeNi 高熵合金相结构，并实验验证；分析组元掺杂及置换对高熵合金相结构的影响规律，为合金成分设计提供理论指导。1）学习相图计算软件 Pandat 的应用。2
2、） 应用 Pandat 软件计算室温下 AlCrCoFeNi 及 AlCrCoFe0.5Ni 高熵合金相结构。3）通过 XRD 分析实验验证铁含量对高熵合金相结构的影响规律。4）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。3主要参考文献1张勇.非晶和高熵合金 M.北京：科学出版社，2010,68-782 叶均蔚，陈瑞凯，林树均.高熵合金的发展概况J.工业材料杂志.3 刘源，陈敏，李言祥，陈祥. AlxCoCrCuFeNi多主元高熵合金的微观结构和力学性能J. 稀有金属材料与工程，2009，38（9）:1602-16074、进度安排设计各阶段名称 起 止
3、 日 期1 查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告2014.12.01 至 2014.12.312 广泛阅读相关文献，制定研究方案 2015.01.01 至 2015.03.103 学习 Pandat 软件的应用 2015.03.11 至 2015.03.304 完成相图计算，中期检查 2015.04.01 至 2015.04.302015.04.305 实验验证计算结果 2014.05.01 至 2014.05.156 撰写毕业论文，准备答辩 2014.05.16 至 2014.06.10审核人： 2015 年 1 月 3 日IAlCrCoFeNi 高熵合金相图分析摘要：合金的微观组织往往
4、决定着合金的特点及性能。传统合金元素越多越容易形成金属间化合物影响合金的性能及特点。然而高熵合金的出现打破了这一理论.对于高熵合金来说，元素越多，反而形成的组织越简单。例如简单的体心立方或面心立方，使得高熵合金的组织变得均匀，性能就更加的优良。本论文选用了 5 种常见的金属元素：Al、Cr、Co、Fe、Ni，以改动 Fe 元素的摩尔含量的方式来分析研究这个系列合金的微观组织中的变化规律。通过真空电弧熔炼法炼制 AlCrCoFeNi 高熵合金，对于铸态高熵合金的微观组织采用 XRD、金相显微镜等方法进行研究分析。采用 pandat 软件对其相图进行分析。关键词：高熵合金，相图，微观组织Phase
5、 diagram analysis of AlCrCoFeNi high entropy alloyAbstract:The microstructure of alloy often decides the characteristics and performance of alloy.The easier the more traditional alloy elements forming intermetallic compounds affect the performance and characteristics of alloy.However, the emergence
6、of high entropy alloys broke this theory.For high entropy alloys, the more elements, makes the organization more simple.For example, the simple body centered cubic or face-centered cubic makes high entropy alloys organization, performance more excellent.Papers selected five common metallic element:
7、Al, Cr, Co，Fe，Ni, in order to change the molar content of Fe to analyze variation in this series alloy microstructure . By vacuum arc melting refining AlCrCoFeNi high entropy alloys. Research and analysis the high-entropy alloy cast microstructure by XRD and optical microscopy .The phase diagram wer
8、e analyzed by Pandat software .Keywords:High entropy alloy，Phase diagram ，MicrostructureII目 录1 绪论 .11.1 概述 .11.2 研究目的与意义 .21.3 国内外研究进展 .21.4 本课题主要任务 .32 文献综述 .42.1 合金与高熵合金的定义 .42.1.1 固溶体混合熵 .42.1.2 高熵合金的界定 .52.2 高熵合金的性能与特点 .72.3 高熵合金的制备方法 .82.3.1 真空电弧熔炼法 .82.3.2 铜模铸造法 .102.3.3 高频感应炉加热熔炼 .112.3.4 其他熔
9、炼方法 .122.4 多主元效应 .122.4.1 晶格的畸变效应 .122.4.2 高熵效应 .122.4.3 鸡尾酒效应 .132.4.4 缓慢扩散效应 .132.5 高熵合金的应用 .143 软件的原理及应用 .173.1 Pandat 软件简介 .173.2 相图计算原理与优点 .183.2.1 相图计算的原理 .183.2.2 相图计算优点 .183.3 基于 Pandat 软件的方法概述与相图计算 .193.3.1 相图定义 .19III3.3.2 相图计算方法 .194 实验方法与过程 .224.1 合金的制备 .224.1.1 合金的成分 .224.1.2 合金试样的制备 .2
10、24.2 实验过程 .244.3 实验结论 .254.3.1 相图分析 .254.3.2 X 射线衍射 .26总结 .28参考文献 .29致谢 .3111 绪论1.1 概述近几年以来，有一种新型的合金材料正在不断地增长多主元高熵合金。它最大的特色就是突破了传统合金设计框架中仅仅以一个或者两个金属元素作为基础，另辟蹊径地开发出来一种新的合金。什么是多主元高熵合金？它是一种采用了一些主要元素（一般为五种或者 5 种以上）的以近似等摩尔比或者等摩尔比通过烧结、熔化或者另外的装置的具备着金属特征的材料组合。为了产生高熵效应，可以通过提高合金主要元素的方式。高熵合金在铸析出纳米晶体性能方面比常规的合金具
11、有更大的优势，因此产生析出强化、固溶强化、沉淀强化以及弥散强化的效果。晶体结构趋于形成简单或者简单的体心面心结构，另外也可和晶间形式的化合物相关联。在晶体结构方面，与传统合金相比较，高熵合金在各种属性和晶体结构上拥有较大程度的差别，主要表现在以下几个方面：一、不仅构成简单的 BCC 和 FCC 结构，甚至容易产生纳米非晶和无序相; 二、具有良好的热稳定性; 三、高的硬度，强度和良好的温室塑性变形; 四、良好的耐腐蚀性和耐磨性。髙熵合金在一般情况下是为传统观念上的基质相的固溶体，因为其强度以及硬度并不是很高，但其塑性变形的能力是良好的。然而，构成一个固溶体高熵合金的多个主元件具有较高的强度和硬度
12、，比非晶质合金的强度还要高，而且还具有良好的热稳定性和磨损并为新的设计结构材料的腐蚀特性它提供了一个丰富的空间。高熵合金相比较于传统合金，它在性能方面具有极大的优势，随着高熵合金的元素种类不同，其微观的组织结构、力学的性能也会随之变化。论文将 AlCrCoFeNi高熵合金作为例子，因为研究髙熵合金非常重要的部分是研究其具体元素的特性，研究髙熵合金中的 Fe 的含量对它的微观组织的结构会产生什么样的影响。21.2 研究目的与意义典型的熔解熵所述熵合金即所述的高熵合金，如在同一原子比或者合金五个或更多的组件相同的原子比接近，简要地说，5 元合金的相图，固 - 液相区域是在中间位置，该固体溶液是目前
13、被认为是一种稳定的混合熵固溶体。可限定高熵合金类混合的固溶相的通常形式。混合多代高熵之效应的主要内容是简单和方便的混合元件的形成，有时在再生阶段的面心立方或者体心立方结构的结晶化合物合成的固溶强化和分散我将加强少量的效果。因此，很多高熵合金拥有了耐腐蚀性的性能，优异的机械性能，巨大潜力被广泛的使用。二十世纪就是年代，提出了一个新的合金概念高熵合金。过去十几年中，高熵合金因为拥有高抗腐蚀性、高硬度、高强度以及优越的热稳定性等许多特殊的性能，从而使得材料科学领域中将高熵合金立为一个新的研究热点。迄今为止，虽然有大约有四百余种高熵合金被研究过，可是与所有元素的组合方式相比较而言，这还是极小的部分。人
14、们还不能完全地认识，是因为多种主元混合后所产生的复杂性，例如：其中其余的制备方法对高熵合金的组织性能所产生的影响和各种有序相的形成机理等等。所以，针对高熵合金的研究还有许许多多的工作要开展。相信研究工作的不断深入，高熵合金所拥有的优秀性能，在不久的将来一定会光芒万丈。1.3 国内外研究进展研究高熵合金还处在起步的阶段，而如今我国台湾地区（典范有：台湾工研院与台湾国立清华大学）的研究处在国际的领先水平。国外的研究人员也深入研究了高熵合金（CuNiCoZnAlTi 以及 AlFeTiCrZnCu）的纳米相结构。我国内地许多研究单位以及高校也取得了一些重要成果。比如：高熵合金AlCoCrFeNiTi
15、x 具备了明显优于块体的金属玻璃的变形塑性的能力，另一方面，一般都拥有非常好的抗拉以及曲服的强度，这是北京科技大学国家重点实验室新金属材料实验室张勇等研究人员发现的成果。哈尔滨工业大学等研究了在 Ti、Mn、V3合金化下 AlCrFeCoNiCu 高熵合金的组织结构所产生影响；刘源等人对AlxCoCrCuFeNi 高熵合金的力学性能以及微观组织做了深入的研究。中国科学院研究了 AlCoCrFeNiMox 系高熵合金，抗压的强度表现良好，其中 AlCoCrFeNiMo0.3 达到3208Mpa，；其中 AlCoCrFeNiTi0.5 的抗拉强度超过 3000Mpa，屈服强度高达2259Mpa，而
16、且压缩性能超过 23%。研究 FeCoNiCu 系高熵合金也发现了合金拥有很高的强度与硬度。叶均蔚（台湾的一名学者）研究发现，NiCoFeCrSiAlTi 高熵合金表现出优越的耐高温氧化能力以及极少见的高温析出硬化现，这可媲美于喷气机涡轮片的 Ni-22Cr-10Al-1Y。高熵合金的电化学和抗腐蚀性能的研究也相关报道。1.4 本课题主要任务髙熵合金的研究成果目前还是非常至少，因为不管是从理论程度上，还是从具体实验的结果和设置上讲，该研究目前仍处于初步研究阶段。人们对于髙熵合金如何选择合金的元素种类，没有可循的科学依据；在合金化的过程机理和所涉及的许多科学的问题，基本上也没有较好好的解释和认识
17、。另外，也没有找到髙熵合金在凝固之后的相的成分与合金的微观的组织结构、化学的性能、机械的性能和物理的性能相互间的规律，故探索影响它的规律与性能以及组织形成的机理，有待于开始这个项研究工作。本课题选取 Al-Cr-Co-Fe-Ni 五元系高熵合金，研究 Fe 元素含量对 AlCrCoFeNi五主元合金的组织的影响。原材料为高纯度（99.5%）的 Al、Cr、Co、Fe、Ni 按摩尔比为 1:1:1:1:1 与 1:1:1:0.5:1 配置合金，用真空电磁炉熔铸 AlCrCoFeNi 髙熵合金。五元合金的相结构、微观组织对于 Fe 元素含量所产生的影响研究工作，我们从以下三个工作进行开展：（1）应
18、用 Pandat 软件计算室温下 AlCrCoFeNi 及AlCrCoFe0.5Ni 高熵合金相结构。（2）学习使用 Pandat 相图计算软件。（3）通过XRD 分析实验验证铁含量对高熵合金相结构的影响规律。42 文献综述2.1 合金与高熵合金的定义合金：合金，是经一定方法将 2 种或者 2 种以上的金属与金属或非金属合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。高熵合金：五元合金的相图当中，简单来说，在位置的中间存在着的固溶体相区，迄今公认稳定的混合熵就是这种固溶体。目前，高熵合金一般可以被定义为由五个以上的元素组元按照
19、等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶体相的一类合金。典型已被报道的合金有：面心立方以CoCrCuFeNi 为代表的固溶体结构的合金（叶均蔚等人发现）；张勇等发现的以A1CoCrFeNi 为代表的体心立方固溶体结构的合金。2.1.1 固溶体混合熵在热力学，熵是一种参数代表该系统的物理障碍，更大如果混乱，熵变的程度。熵原子振动配置一个物理系统，电子配置中，配置的磁矩，配置将影响原子在系统中，这影响配置的最大冲击的原子排列的结构，如果忽略熵的其他结构，系统的熵到主混合熵的原子排列。也被称为混合熵配置的熵，配置熵与合金成分组合，这反映了美元的组合的合金基，诸如二元固体溶液而变化，空位有序固溶的固溶体和其它部件不同的方式中，组合其配置是不同的熵。熵（S）为热力学的概率，S = KlnW 熵配置。热力学概率实际上是计算问题的组合，下列二进制取代的固体溶液，例如，来计算的。提供固体溶液晶格，总共 N 个节点中，两个原子的扁平的 EIB 完全占用，只能容纳一个原子一个节点上，这两种类型的原子的数目是 NA 和 NB，现在计算出这两种类型的原子数填充的配置节点上。 NA 节点 A 型原子的被填充后，NB占用利用 B 原子的剩余
