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孫文文等《Acta Materialia》：高熵合金中發(fā)現(xiàn)珠光體結(jié)構(gòu)，伴隨優(yōu)異熱穩(wěn)定及耐磨性

2022-05-12 11:20:03 作者：材料基來源：材料基分享至：

磨損被列為材料三大失效方式（斷裂、腐蝕、磨損）之一，不僅造成巨大的能源浪費(fèi)，同時(shí)造成設(shè)備、器件、材料的不可逆損耗，因此耐磨材料是制造業(yè)中至關(guān)重要的材料。以良好的耐磨性能和高強(qiáng)度著稱的珠光體鋼是由Sorby在100多年前發(fā)現(xiàn)的，它具有由鐵素體和滲碳體組成的納米片層狀結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷滑動磨損過程中，鐵素體和滲碳體片層可沿應(yīng)力方向變形并重新排列。這種片層取向隨應(yīng)力施加方向的變化增加了硬質(zhì)滲碳體片層在接觸面的面積分?jǐn)?shù)，從而導(dǎo)致珠光體結(jié)構(gòu)的高耐磨性能，珠光體鋼是廣泛應(yīng)用于鐵軌的材料之一。鋼中的間隙C原子在珠光體結(jié)構(gòu)的形成過程中起重要作用，但它們在高溫下擴(kuò)散速率極高，因此當(dāng)珠光體鋼在較高溫度下服役時(shí)，滲碳體相將粗化并球化，甚至發(fā)生失穩(wěn)而導(dǎo)致相分解，從而使高耐磨性能和高強(qiáng)度發(fā)生損失。由于上述原因，珠光體鋼無法滿足在較高溫度下工作的耐磨部件對耐磨性能的需求。因此，在高溫下仍然保持層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是值得探索的方向，這可拓寬珠光體結(jié)構(gòu)的使用溫度區(qū)間以及應(yīng)用場合。

東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫文文等在FeCoNiTi基高熵合金中提出了一種通過經(jīng)典共析轉(zhuǎn)變（A→B+C）而形成的珠光體結(jié)構(gòu)，用以提升珠光體組織在室溫以及一系列高溫環(huán)境下的耐磨性能以及熱穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以題“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”發(fā)表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，與鋼鐵材料的相變相似，高熵合金中也可以發(fā)生共析反應(yīng)而產(chǎn)生珠光體結(jié)構(gòu)，共析轉(zhuǎn)變發(fā)生于500°C至650°C，共析反應(yīng)為FCC→BCC+Ni3Ti，片層結(jié)構(gòu)由BCC相和Ni3Ti相片層交替排列而成。由于高熵合金中的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致高熵珠光體的片層狀結(jié)構(gòu)比鋼中珠光體更精細(xì)（如圖1所示），因此珠光體高熵合金的硬度更高且在500°C和550°C時(shí)具備良好的熱穩(wěn)定性（如圖2所示）。同時(shí)，與鋼中的珠光體結(jié)構(gòu)類似，多主元珠光體的片層間距也隨共析轉(zhuǎn)變溫度的升高而增大，同時(shí)硬度隨片層間距的增大而降低，變化趨勢可見圖3a。該珠光體高熵合金不僅在室溫下具備優(yōu)異的耐磨性能（磨損率~2×10-5mm3/Nm），在550℃與600℃的環(huán)境下耐磨性能依然良好（磨損率<3×10-5mm3/Nm），多主元珠光體在室溫及高溫下磨損率分別如圖3a和b所示，低于相同溫度下一系列高速鋼或已開發(fā)的耐磨多主元合金。磨料磨損是該高熵合金在室溫下的主要磨損機(jī)制，磨損速率與硬度呈典型的負(fù)相關(guān)關(guān)系，符合Archard定律。氧化和剝層磨損是該合金在高溫下的主要磨損機(jī)制，這是因?yàn)樵谀ズ郾砻嫘纬闪酥旅艿谋Ｗo(hù)性氧化層，以及具有足夠熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的高加工硬化納米再結(jié)晶層。因此，高熵合金中的珠光體結(jié)構(gòu)是一種值得進(jìn)一步研究和優(yōu)化的具有極端環(huán)境應(yīng)用前景的高性能結(jié)構(gòu)，同時(shí)該研究為耐磨多主元合金的開發(fā)提供了新的思路。

該工作獲得江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和國家自然科學(xué)期金青年項(xiàng)目的支持。