C與Ti元素對(duì)典型高熵合金組織與力學(xué)性能影響的多維度探究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求日益嚴(yán)苛，傳統(tǒng)合金在面對(duì)復(fù)雜工況時(shí)逐漸顯露出局限性，難以滿(mǎn)足航空航天、能源、汽車(chē)制造等領(lǐng)域?qū)Σ牧细邚?qiáng)度、高韌性、良好的耐磨性與耐腐蝕性以及優(yōu)異高溫性能等多方面的需求。在這樣的背景下，高熵合金應(yīng)運(yùn)而生，為材料科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了嶄新的道路。高熵合金一般是指由五種或五種以上主元金屬元素，以等摩爾比或近等摩爾比組成的新型合金。其設(shè)計(jì)理念突破了傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為基體的模式，獨(dú)特的多主元特性賦予了高熵合金一系列優(yōu)異的性能。根據(jù)吉布斯自由能公式\DeltaG_{mix}=\DeltaH_{mix}-T\DeltaS_{mix}（其中T為熱力學(xué)溫度，\DeltaH_{mix}為混合焓，\DeltaS_{mix}為混合熵，\DeltaG_{mix}為吉布斯自由能），高熵合金由于具有較高的混合熵，使得合金自由能降低，傾向于形成簡(jiǎn)單的固溶體相，如面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)或體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)固溶體。這種簡(jiǎn)單相結(jié)構(gòu)是高熵合金具備優(yōu)異性能的重要基礎(chǔ)。在力學(xué)性能方面，高熵合金往往具有高強(qiáng)度和高硬度。由于各組成元素之間在原子半徑、晶體結(jié)構(gòu)等方面存在差異，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的晶格畸變，進(jìn)而引發(fā)固溶強(qiáng)化效應(yīng)，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得合金的強(qiáng)度和硬度顯著提高。部分高熵合金還具有良好的塑性和韌性，如FeCoNiCrMn高熵合金在室溫下展現(xiàn)出較好的綜合力學(xué)性能，其塑性甚至優(yōu)于一些傳統(tǒng)合金，這使得它在需要承受復(fù)雜應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。高熵合金還具備出色的高溫穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，高熵合金原子的擴(kuò)散速率較慢，晶格結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，能夠保持較好的力學(xué)性能，有效抵抗高溫軟化現(xiàn)象。研究表明，某些高熵合金在1000℃的高溫下長(zhǎng)時(shí)間熱處理后，硬度不僅沒(méi)有下降，反而有所上升，這與傳統(tǒng)合金在高溫下性能迅速劣化形成了鮮明對(duì)比，使其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等高溫領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。此外，高熵合金的耐腐蝕性能也較為突出。其簡(jiǎn)單的相結(jié)構(gòu)以及納米晶、非晶、單相、低自由焓等特性，加之部分元素（如鋁等）能夠形成致密的氧化物保護(hù)膜，有效阻止了腐蝕介質(zhì)的侵蝕，使其在海洋工程、化工設(shè)備等易腐蝕環(huán)境中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。盡管高熵合金具有眾多優(yōu)異性能，但目前仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，以進(jìn)一步拓展其實(shí)際應(yīng)用。其中，合金元素對(duì)高熵合金組織與性能的影響機(jī)制尚未完全明晰，這在很大程度上限制了高熵合金的成分設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。不同元素的加入會(huì)改變合金的晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織形態(tài)以及原子間的相互作用，進(jìn)而對(duì)合金的性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。因此，深入研究合金元素在高熵合金中的作用機(jī)制，對(duì)于開(kāi)發(fā)新型高性能高熵合金至關(guān)重要。碳（C）和鈦（Ti）元素在金屬材料領(lǐng)域具有獨(dú)特的作用，將它們引入高熵合金中，有望進(jìn)一步優(yōu)化高熵合金的組織與力學(xué)性能。C元素作為常見(jiàn)的間隙原子，在傳統(tǒng)合金（如鋼）中，通過(guò)間隙固溶強(qiáng)化和沉淀碳化物起到第二相強(qiáng)化的作用，顯著提高了合金的強(qiáng)度和硬度。在高熵合金中，C的引入同樣可能誘導(dǎo)固溶體強(qiáng)化效應(yīng)，提高合金強(qiáng)度，并且可能通過(guò)形成碳化物，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)合金的力學(xué)性能。但C含量的增加也可能會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題，如限制FCC晶粒粗化，降低合金的延展性等，因此，如何在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，保持良好的綜合性能，是研究C元素對(duì)高熵合金影響的關(guān)鍵所在。Ti元素具有密度低、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在高熵合金中添加Ti元素，可以細(xì)化晶粒，引入新的相結(jié)構(gòu)，從而改變合金的力學(xué)性能。研究表明，在FeCoNiCrMn高熵合金中加入Ti元素，在單相FCC中引入了BCC樹(shù)枝晶，使晶粒細(xì)化，合金的強(qiáng)度得到提高。但Ti元素的加入也可能對(duì)合金的其他性能產(chǎn)生影響，如對(duì)塑性和韌性的影響，以及與其他元素之間的相互作用機(jī)制等，都需要進(jìn)一步深入研究。本研究聚焦于C與Ti元素對(duì)幾種典型高熵合金組織與力學(xué)性能的影響，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，通過(guò)深入探究C和Ti元素在高熵合金中的作用機(jī)制，可以豐富和完善高熵合金的理論體系，為高熵合金的成分設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。具體而言，研究C元素如何影響高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)、碳化物的形成與分布規(guī)律，以及與其他元素之間的相互作用，有助于揭示間隙原子在高熵合金中的強(qiáng)化機(jī)制；而研究Ti元素對(duì)高熵合金微觀組織演變、相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以及力學(xué)性能各指標(biāo)（強(qiáng)度、塑性、韌性等）的影響規(guī)律，則能夠進(jìn)一步深化對(duì)合金元素強(qiáng)化和細(xì)化晶粒機(jī)制的認(rèn)識(shí)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，本研究成果將為高熵合金在航空航天、汽車(chē)制造、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的強(qiáng)度、輕量化和高溫性能要求極高，通過(guò)優(yōu)化C和Ti元素在高熵合金中的含量和配比，可以開(kāi)發(fā)出具有高強(qiáng)度、低密度和優(yōu)異高溫穩(wěn)定性的高熵合金材料，用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、飛行器結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵部件，提高航空航天器的性能和可靠性；在汽車(chē)制造領(lǐng)域，高熵合金的高強(qiáng)度和良好的耐磨性可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、傳動(dòng)系統(tǒng)部件等，提高汽車(chē)的動(dòng)力性能和使用壽命，同時(shí)，通過(guò)合理調(diào)整元素組成，有望降低材料成本，促進(jìn)高熵合金在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用；在能源領(lǐng)域，高熵合金的優(yōu)異耐腐蝕性能和高溫穩(wěn)定性使其在石油化工、核能等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，本研究為開(kāi)發(fā)適用于能源領(lǐng)域復(fù)雜工況的高熵合金材料提供了方向，有助于提高能源設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀高熵合金自被提出以來(lái)，在全球范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛而深入的研究熱潮。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞高熵合金開(kāi)展了大量工作，在基礎(chǔ)理論、成分設(shè)計(jì)、制備工藝、性能優(yōu)化等多個(gè)方面取得了一系列重要成果。在基礎(chǔ)理論研究方面，學(xué)者們深入探討了高熵合金的形成機(jī)制，提出了多種理論模型來(lái)解釋高熵合金為何傾向于形成簡(jiǎn)單固溶體相。其中，基于吉布斯自由能公式（\DeltaG_{mix}=\DeltaH_{mix}-T\DeltaS_{mix}）的高熵效應(yīng)理論認(rèn)為，高熵合金中多種主元元素的混合產(chǎn)生了較高的混合熵，使得合金自由能降低，從而促進(jìn)了簡(jiǎn)單固溶體相的形成。此外，原子尺寸效應(yīng)、混合焓等因素也被證明對(duì)高熵合金的相結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響。在成分設(shè)計(jì)領(lǐng)域，研究者們通過(guò)不斷嘗試不同元素的組合和配比，開(kāi)發(fā)出了眾多具有獨(dú)特性能的高熵合金體系。如以Al、Fe、Co、Ni、Cr等元素為基礎(chǔ)的合金系，展現(xiàn)出了良好的綜合力學(xué)性能；難熔高熵合金系則以Mo、V、Nb、Hf、Ta等難熔金屬元素為主，具有優(yōu)異的高溫性能，在航空航天、能源等高溫領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。在制備工藝方面，目前已發(fā)展出多種制備高熵合金的方法，包括真空電弧爐熔鑄法、機(jī)械合金化法、電化學(xué)法、熱噴涂法、磁控濺射法、粉末冶金法、激光熔覆法等。其中，真空電弧爐熔鑄法是最為常用的制備方法之一，能夠制備出成分均勻、致密度高的高熵合金鑄錠，但該方法存在設(shè)備昂貴、制備效率較低等問(wèn)題；激光熔覆法作為一種新興的制備技術(shù)，具有能量密度高、加熱速度快、冷卻速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠在傳統(tǒng)材料表面制備出性能優(yōu)異的高熵合金涂層，有效提高基體材料的表面性能，但涂層質(zhì)量受工藝參數(shù)影響較大，需要精確控制。隨著研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸關(guān)注到合金元素對(duì)高熵合金組織與性能的影響，其中C與Ti元素的作用受到了特別關(guān)注。在C元素對(duì)高熵合金的影響研究方面，已有研究表明，C作為間隙原子，在高熵合金中可通過(guò)間隙固溶強(qiáng)化和沉淀碳化物起到第二相強(qiáng)化的作用，從而顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。例如，WangZ等人通過(guò)C的間隙固溶強(qiáng)化，使得Fe40.4Ni11.3Mn34.8Al7.5Cr6高熵合金的強(qiáng)度得到了有效提升。在高熵合金中摻雜C還容易析出碳化物，這些碳化物能夠阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，促進(jìn)應(yīng)變硬化的增加。然而，C含量的增加也可能會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面效應(yīng)，如限制FCC晶粒粗化，降低合金的延展性等。江蘇海洋大學(xué)賀毅強(qiáng)教授在《非金屬元素對(duì)高熵合金的組織和力學(xué)性能影響》一文中指出，目前對(duì)于如何在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，保持良好的綜合性能，尚缺乏系統(tǒng)定論，需要進(jìn)一步深入研究C元素與其他元素之間的相互作用機(jī)制，以及C含量的最佳調(diào)控范圍。關(guān)于Ti元素對(duì)高熵合金的影響，研究發(fā)現(xiàn)Ti元素可以細(xì)化晶粒，引入新的相結(jié)構(gòu)，從而改變合金的力學(xué)性能。例如，在FeCoNiCrMn高熵合金中加入Ti元素，在單相FCC中引入了BCC樹(shù)枝晶，使晶粒細(xì)化，合金的強(qiáng)度得到提高。海南大學(xué)李永存副教授指導(dǎo)的碩士研究生王志偉在《JournalofMaterialsResearchandTechnology》上發(fā)表的論文《MechanicalpropertiesandwearbehaviorsofFeCoNiCrMnTixhigh-entropyalloysmanufacturedbyvacuumarcmelting》中，通過(guò)調(diào)控Ti元素的含量來(lái)尋求FeCoNiCrMn高熵合金延展性與硬度、強(qiáng)度之間的平衡，結(jié)果表明Ti元素的加入顯著提高了合金的強(qiáng)度。但Ti元素的加入也可能對(duì)合金的塑性和韌性產(chǎn)生影響，其與其他元素之間的相互作用機(jī)制以及對(duì)合金綜合性能的影響規(guī)律，仍有待進(jìn)一步深入研究。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在C與Ti元素對(duì)高熵合金組織與力學(xué)性能影響方面已取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。目前對(duì)于C和Ti元素在高熵合金中的作用機(jī)制研究尚不夠深入和全面，尤其是在多元素復(fù)雜體系中，C和Ti元素與其他元素之間的協(xié)同作用機(jī)制還不明確，這限制了對(duì)高熵合金性能的精準(zhǔn)調(diào)控?，F(xiàn)有研究主要集中在少數(shù)幾種典型的高熵合金體系上，對(duì)于其他新型高熵合金體系中C和Ti元素的作用研究較少，研究范圍有待進(jìn)一步拓展。在實(shí)際應(yīng)用方面，雖然高熵合金展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能潛力，但由于其制備成本較高、工藝復(fù)雜等問(wèn)題，目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。因此，如何降低高熵合金的制備成本，優(yōu)化制備工藝，提高生產(chǎn)效率，也是未來(lái)研究需要解決的重要問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究主要聚焦于C與Ti元素對(duì)幾種典型高熵合金組織與力學(xué)性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方式，深入探究其作用機(jī)制，具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：1.3.1研究?jī)?nèi)容C、Ti元素對(duì)高熵合金晶體結(jié)構(gòu)與微觀組織的影響選用FeCoNiCrMn、AlCoCrFeNi等典型高熵合金體系，采用真空電弧爐熔煉法制備不同C、Ti含量的高熵合金試樣。利用X射線衍射（XRD）技術(shù)精確測(cè)定合金的晶體結(jié)構(gòu)，分析C、Ti元素的加入對(duì)合金相結(jié)構(gòu)（如FCC相、BCC相的比例和穩(wěn)定性）的影響規(guī)律。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)合金的微觀組織進(jìn)行觀察，研究C、Ti元素對(duì)晶粒尺寸、形態(tài)以及晶界特征的影響。特別關(guān)注C元素在合金中形成碳化物的種類(lèi)、數(shù)量、尺寸和分布情況，以及Ti元素引入新相（如BCC樹(shù)枝晶等）的微觀結(jié)構(gòu)特征。C、Ti元素對(duì)高熵合金力學(xué)性能的影響對(duì)制備的高熵合金試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)定合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)，分析C、Ti元素含量變化對(duì)合金強(qiáng)度和塑性的影響規(guī)律。例如，研究C元素通過(guò)間隙固溶強(qiáng)化和碳化物析出強(qiáng)化對(duì)合金強(qiáng)度的提升作用，以及Ti元素細(xì)化晶粒和引入新相結(jié)構(gòu)對(duì)合金強(qiáng)度和塑性的綜合影響。進(jìn)行硬度測(cè)試，采用洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）等測(cè)試方法，探究C、Ti元素對(duì)合金硬度的影響機(jī)制，分析硬度與微觀組織之間的內(nèi)在聯(lián)系。開(kāi)展沖擊試驗(yàn)，評(píng)估C、Ti元素對(duì)高熵合金沖擊韌性的影響，研究合金在沖擊載荷下的斷裂行為和機(jī)制，明確C、Ti元素在提高合金韌性方面的作用。C、Ti元素在高熵合金中的作用機(jī)制基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，深入探討C、Ti元素在高熵合金中的作用機(jī)制。利用熱力學(xué)計(jì)算軟件（如Thermo-Calc等）計(jì)算合金的混合焓、混合熵等熱力學(xué)參數(shù)，分析C、Ti元素與其他主元元素之間的相互作用對(duì)合金自由能和相穩(wěn)定性的影響。借助第一性原理計(jì)算，從原子尺度研究C、Ti元素在合金晶格中的占位情況、與周?chē)拥逆I合特征以及對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響，揭示C、Ti元素對(duì)合金強(qiáng)化和韌化的微觀機(jī)制。例如，研究C原子在間隙位置引起的晶格畸變對(duì)電子云分布和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，以及Ti原子與其他元素形成化學(xué)鍵的強(qiáng)度和方向性對(duì)合金力學(xué)性能的影響。分析C、Ti元素在合金凝固過(guò)程中的偏析行為和對(duì)形核、長(zhǎng)大機(jī)制的影響，解釋微觀組織演變與元素作用機(jī)制之間的內(nèi)在聯(lián)系。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法合金制備：采用真空電弧爐熔煉法制備高熵合金試樣。將純度不低于99.9%的Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Al等主元金屬原料，以及C、Ti元素添加劑，按照設(shè)計(jì)的成分比例精確稱(chēng)量后，放入真空電弧爐的水冷銅坩堝中。在高真空（真空度優(yōu)于10^{-3}Pa）環(huán)境下，利用電弧將原料熔化，反復(fù)熔煉3-5次，以確保合金成分均勻。熔煉過(guò)程中，通過(guò)電磁攪拌進(jìn)一步促進(jìn)元素的均勻混合。微觀組織分析：使用X射線衍射儀（XRD）對(duì)合金進(jìn)行物相分析。采用CuKα輻射源，掃描范圍為20°-90°，掃描速度為0.02°/s，通過(guò)XRD圖譜分析合金的晶體結(jié)構(gòu)和相組成。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金的微觀組織形貌，配備能譜分析儀（EDS）對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行分析，確定元素的分布情況。對(duì)于需要更精細(xì)觀察的微觀結(jié)構(gòu)，如晶界、位錯(cuò)和析出相，采用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行分析。力學(xué)性能測(cè)試：室溫拉伸試驗(yàn)在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣，標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，拉伸速率為0.5mm/min，記錄拉伸過(guò)程中的載荷-位移曲線，計(jì)算屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)。硬度測(cè)試采用維氏硬度計(jì)，加載載荷為500g，加載時(shí)間為15s，在試樣表面不同位置測(cè)量5-10個(gè)點(diǎn)，取平均值作為合金的硬度值。沖擊試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用夏比V型缺口試樣，測(cè)試合金的沖擊韌性。理論分析方法熱力學(xué)計(jì)算：運(yùn)用Thermo-Calc軟件，結(jié)合相應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算高熵合金的混合焓、混合熵、吉布斯自由能等熱力學(xué)參數(shù)。通過(guò)改變C、Ti元素的含量，模擬合金在不同溫度和成分條件下的相平衡狀態(tài)，預(yù)測(cè)合金的相結(jié)構(gòu)和相轉(zhuǎn)變溫度，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。第一性原理計(jì)算：基于密度泛函理論（DFT），使用VASP等計(jì)算軟件進(jìn)行第一性原理計(jì)算。構(gòu)建高熵合金的原子模型，考慮C、Ti元素在合金中的不同占位情況，計(jì)算合金的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。通過(guò)計(jì)算分析C、Ti元素與其他主元元素之間的原子間相互作用、化學(xué)鍵性質(zhì)以及對(duì)合金晶格常數(shù)、彈性常數(shù)等的影響，從原子尺度揭示C、Ti元素對(duì)高熵合金組織與力學(xué)性能的作用機(jī)制。二、高熵合金概述2.1高熵合金的概念與特性高熵合金（HighEntropyAlloys，簡(jiǎn)稱(chēng)HEAs），又被稱(chēng)為多主元合金（Multi-PrincipalElementAlloys，MPEAs）或復(fù)雜濃縮合金（ComplexConcentratedAlloys，CCAs），是材料科學(xué)領(lǐng)域中一類(lèi)極具創(chuàng)新性的合金材料。其定義為使用等摩爾或近等摩爾的方法設(shè)計(jì)，含有不少于5種元素的合金，且每主元含量在5%-35%之間。這一獨(dú)特的成分設(shè)計(jì)理念，與傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為主要合金元素，再添加少量其他元素來(lái)提升性能的模式截然不同。高熵合金突破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)思路的限制，為材料科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。高熵合金的特性主要源于其獨(dú)特的多主元組成，這些特性賦予了高熵合金在性能上的顯著優(yōu)勢(shì)，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。高熵合金具有高熵效應(yīng)。根據(jù)熱力學(xué)原理，熵是描述系統(tǒng)混亂程度的物理量。在高熵合金中，多種元素的隨機(jī)固溶導(dǎo)致了熵的顯著增加。以理想混合熵公式\DeltaS_{conf}=-R\sum_{i=1}^{n}c_{i}\lnc_{i}（其中R為氣體常數(shù)，c_{i}為第i種元素的摩爾分?jǐn)?shù)，n為元素種類(lèi)數(shù)）來(lái)計(jì)算，當(dāng)元素種類(lèi)n增加時(shí)，混合熵\DeltaS_{conf}顯著增大。傳統(tǒng)合金的熵值一般在1.0R（R為氣體常數(shù)，8.314J/(mol?K)）以下，而高熵合金的熵值界限通常在1.5R以上。這種高熵狀態(tài)使得合金體系的吉布斯自由能降低，根據(jù)吉布斯自由能公式\DeltaG_{mix}=\DeltaH_{mix}-T\DeltaS_{mix}（其中\(zhòng)DeltaH_{mix}為混合焓，T為熱力學(xué)溫度，\DeltaS_{mix}為混合熵），高熵合金傾向于形成單相簡(jiǎn)單固溶體（亞穩(wěn)狀態(tài)），各元素隨機(jī)均勻地占據(jù)晶體位點(diǎn)，從而避免了因相分離而形成金屬間化合物，提高了合金的穩(wěn)定性。晶格畸變效應(yīng)也是高熵合金的重要特性之一。在高熵合金無(wú)序排列的晶體結(jié)構(gòu)中，由于各組成元素之間存在原子尺寸差異，會(huì)導(dǎo)致晶格對(duì)稱(chēng)性與形狀發(fā)生改變，使整體的畸變程度與應(yīng)變能增加。這種晶格畸變對(duì)材料的物理機(jī)械性能產(chǎn)生了重要影響。例如，晶格畸變會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論可知，位錯(cuò)在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服一定的阻力，晶格畸變?cè)黾恿宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得合金在受力變形時(shí)更加困難，進(jìn)而提高了合金的強(qiáng)度。晶格畸變還可能影響合金的其他性能，如對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而改變合金的電學(xué)、磁學(xué)性能等。高熵合金還表現(xiàn)出雞尾酒效應(yīng)。高熵合金中微觀的電子結(jié)構(gòu)與各主元原子間的近程作用十分復(fù)雜，目前尚未完全揭曉。其特殊的構(gòu)型與組織狀態(tài)可能產(chǎn)生各種協(xié)同作用，使得合金出現(xiàn)難以預(yù)料的物理性能與功能特性。這種效應(yīng)就如同調(diào)制雞尾酒一樣，不同成分的組合產(chǎn)生出獨(dú)特的效果。例如，在一些高熵合金中，多種元素的協(xié)同作用可能使其具有優(yōu)異的催化性能，或者在某些特定環(huán)境下表現(xiàn)出特殊的電學(xué)、光學(xué)性能等。遲滯擴(kuò)散效應(yīng)是高熵合金的另一特性。在高熵合金中，所有元素均勻隨機(jī)分布，且均為主元，整體不存在大梯度濃度差，這使得所有元素的擴(kuò)散都較為緩慢。許多研究表明，高熵合金中元素的自擴(kuò)散系數(shù)要比傳統(tǒng)合金低1個(gè)數(shù)量級(jí)。原子在高熵合金中主要通過(guò)空位機(jī)制擴(kuò)散，不同原子的熔點(diǎn)大小和鍵合強(qiáng)度不同，活性較強(qiáng)的原子更容易擴(kuò)散到空位，但空位填補(bǔ)后能量降低，原子難以繼續(xù)擴(kuò)散。這種遲滯擴(kuò)散效應(yīng)使得高熵合金具有較好的熱穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下，元素的緩慢擴(kuò)散抑制了微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而保持了合金性能的穩(wěn)定。2.2典型高熵合金體系介紹在高熵合金的研究領(lǐng)域中，眾多學(xué)者通過(guò)不斷探索和創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出了多種具有獨(dú)特性能和應(yīng)用潛力的典型高熵合金體系。這些合金體系因其特殊的元素組成和微觀結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性、高溫穩(wěn)定性以及其他特殊性能，為材料科學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。以下將詳細(xì)介紹幾種常見(jiàn)的典型高熵合金體系及其性能特點(diǎn)。2.2.1FeCoCrNiMn系高熵合金FeCoCrNiMn系高熵合金是最早被研究和廣泛關(guān)注的高熵合金體系之一，也被稱(chēng)為Cantor合金。該合金體系以Fe、Co、Cr、Ni、Mn五種元素為主要成分，通常采用等摩爾比或近等摩爾比進(jìn)行配制。FeCoCrNiMn系高熵合金在室溫下通常形成單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，這種簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)賦予了合金良好的塑性和韌性。其獨(dú)特的多主元特性使得合金原子間的相互作用增強(qiáng)，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的晶格畸變效應(yīng)，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。在室溫拉伸試驗(yàn)中，F(xiàn)eCoCrNiMn高熵合金表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度可達(dá)200-300MPa，抗拉強(qiáng)度約為600-700MPa，伸長(zhǎng)率可達(dá)到40%-60%，明顯優(yōu)于一些傳統(tǒng)的低合金鋼。該合金體系還具有優(yōu)異的低溫性能。研究表明，在低溫環(huán)境下，F(xiàn)eCoCrNiMn高熵合金的塑性和韌性不僅沒(méi)有降低，反而有所提高。這是因?yàn)榈蜏叵潞辖鹬械奈诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)受到抑制，使得合金更容易發(fā)生孿生變形，從而消耗更多的能量，提高了合金的韌性。在航空航天、深海探測(cè)等需要在低溫環(huán)境下工作的領(lǐng)域，F(xiàn)eCoCrNiMn系高熵合金展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。FeCoCrNiMn系高熵合金還具有一定的耐腐蝕性。合金中的Cr元素能夠在表面形成一層致密的氧化膜，阻止腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步侵蝕。在一些弱腐蝕介質(zhì)中，如中性鹽溶液，該合金能夠保持較好的耐蝕性能。但在強(qiáng)氧化性酸等惡劣腐蝕環(huán)境下，其耐腐蝕性還有待進(jìn)一步提高。2.2.2AlCoCrFeNi系高熵合金AlCoCrFeNi系高熵合金是另一種重要的高熵合金體系，通過(guò)調(diào)整Al元素的含量，可以對(duì)合金的相結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行有效的調(diào)控。當(dāng)Al含量較低時(shí)，合金主要形成面心立方（FCC）相，此時(shí)合金具有較好的塑性；隨著Al含量的增加，合金中會(huì)逐漸出現(xiàn)體心立方（BCC）相，合金的強(qiáng)度和硬度顯著提高，但塑性會(huì)有所下降。當(dāng)Al含量達(dá)到一定程度時(shí)，合金可能形成以BCC相為主的結(jié)構(gòu)，此時(shí)合金的強(qiáng)度較高，但韌性相對(duì)較低。這種相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變主要是由于Al元素的加入改變了合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用。Al原子半徑較小，電負(fù)性與其他主元元素存在差異，它的加入會(huì)引起晶格畸變，改變合金的自由能，從而影響相的穩(wěn)定性。通過(guò)控制Al含量，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)合金強(qiáng)度和塑性的平衡。在力學(xué)性能方面，AlCoCrFeNi系高熵合金表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和硬度。由于BCC相的存在以及固溶強(qiáng)化、晶格畸變等多種強(qiáng)化機(jī)制的共同作用，該合金體系的強(qiáng)度明顯高于FeCoCrNiMn系高熵合金。其屈服強(qiáng)度可以達(dá)到500-1000MPa，抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)提高，使其在一些對(duì)強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件中具有應(yīng)用潛力。AlCoCrFeNi系高熵合金還具有良好的高溫性能。在高溫環(huán)境下，合金中的原子擴(kuò)散速率相對(duì)較慢，加之BCC相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得合金能夠保持較好的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，該合金在高溫下的抗氧化性能也較為出色，這主要得益于合金中Cr、Al等元素在表面形成的致密氧化物保護(hù)膜，能夠有效地阻止氧原子的向內(nèi)擴(kuò)散，從而提高了合金的高溫抗氧化能力，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等高溫領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。2.2.3難熔高熵合金體系難熔高熵合金體系主要是以難熔金屬元素Mo、V、Nb、Hf、Ta、Cr、W、Zr以及Al等為主元素。這類(lèi)高熵合金具有優(yōu)異的高溫性能，其熔點(diǎn)通常較高，能夠在高溫環(huán)境下保持較好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。難熔高熵合金體系根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)大概可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是單相BCC結(jié)構(gòu)的固溶體難熔高熵合金，另一類(lèi)是在BCC固溶體基體上析出第二相金屬間化合物的難熔合金體系。單相BCC結(jié)構(gòu)的難熔高熵合金具有較高的高溫強(qiáng)度和硬度。由于難熔金屬元素的原子半徑較大，原子間結(jié)合力強(qiáng)，形成的BCC結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。在高溫下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到較大阻礙，使得合金能夠保持較高的強(qiáng)度。一些含有Mo、Nb、Ta等元素的單相BCC難熔高熵合金，在1000℃以上的高溫下仍能保持較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)高溫合金在相同溫度下的性能。在BCC固溶體基體上析出第二相金屬間化合物的難熔合金體系，通過(guò)第二相的析出強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度和硬度。這些金屬間化合物通常具有較高的硬度和熱穩(wěn)定性，能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。例如，在一些難熔高熵合金中，析出的Laves相、σ相等金屬間化合物，顯著提高了合金的強(qiáng)度和耐磨性。但第二相的析出也可能會(huì)對(duì)合金的塑性和韌性產(chǎn)生一定的影響，需要通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝來(lái)優(yōu)化合金的綜合性能。難熔高熵合金體系還具有良好的抗蠕變性能。在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，合金的蠕變變形是限制其應(yīng)用的重要因素之一。難熔高熵合金由于其原子間的強(qiáng)結(jié)合力和復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，使得原子擴(kuò)散困難，從而有效地抑制了蠕變變形。在航空航天、能源等高溫領(lǐng)域，難熔高熵合金體系被認(rèn)為是極具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料。2.3C與Ti元素在高熵合金研究中的重要性在高熵合金的研究領(lǐng)域中，C與Ti元素因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，對(duì)高熵合金的組織與力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響，成為了研究的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。C元素作為一種典型的間隙原子，在高熵合金中發(fā)揮著多方面的關(guān)鍵作用。從強(qiáng)化機(jī)制角度來(lái)看，C元素通過(guò)間隙固溶強(qiáng)化和沉淀碳化物起到第二相強(qiáng)化的作用，顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。在Fe40.4Ni11.3Mn34.8Al7.5Cr6高熵合金中，C的間隙固溶強(qiáng)化使得合金強(qiáng)度得到有效提升。這是因?yàn)镃原子半徑較小，能夠進(jìn)入合金晶格的間隙位置，引起晶格畸變，從而增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高合金的強(qiáng)度。根據(jù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論，位錯(cuò)在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要克服晶格的阻力，而C原子引起的晶格畸變?cè)黾恿诉@種阻力，使得位錯(cuò)難以移動(dòng)，進(jìn)而提高了合金的強(qiáng)度。在高熵合金中摻雜C還容易析出碳化物，這些碳化物能夠阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，促進(jìn)應(yīng)變硬化的增加。例如，在一些高熵合金中，碳化物以細(xì)小顆粒的形式彌散分布在基體中，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到碳化物顆粒附近時(shí)，會(huì)受到碳化物的阻擋，位錯(cuò)需要繞過(guò)碳化物或者切過(guò)碳化物才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。C含量的增加也可能會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面效應(yīng)，如限制FCC晶粒粗化，降低合金的延展性等。因此，深入研究C元素在高熵合金中的作用機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化合金的綜合性能具有重要意義。Ti元素在高熵合金研究中同樣具有重要地位。Ti元素具有密度低、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在高熵合金中添加Ti元素，可以細(xì)化晶粒，引入新的相結(jié)構(gòu)，從而改變合金的力學(xué)性能。在FeCoNiCrMn高熵合金中加入Ti元素，在單相FCC中引入了BCC樹(shù)枝晶，使晶粒細(xì)化，合金的強(qiáng)度得到提高。這是由于Ti原子與其他元素之間的相互作用，改變了合金的凝固過(guò)程和晶體生長(zhǎng)方式，促進(jìn)了BCC樹(shù)枝晶的形成，同時(shí)細(xì)化了晶粒尺寸。根據(jù)Hall-Petch公式，晶粒尺寸的細(xì)化可以顯著提高合金的強(qiáng)度，公式為\sigma_s=\sigma_0+k_dd^{-1/2}（其中\(zhòng)sigma_s為屈服強(qiáng)度，\sigma_0為摩擦應(yīng)力，k_d為強(qiáng)化系數(shù)，d為晶粒尺寸），可見(jiàn)晶粒尺寸d越小，屈服強(qiáng)度\sigma_s越高。Ti元素還可能對(duì)合金的其他性能產(chǎn)生影響，如對(duì)塑性和韌性的影響。當(dāng)Ti元素含量過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金中硬脆相的增多，從而降低合金的塑性和韌性。因此，研究Ti元素在高熵合金中的作用機(jī)制，包括其與其他元素之間的相互作用、對(duì)合金相結(jié)構(gòu)和微觀組織的影響等，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高熵合金性能的精準(zhǔn)調(diào)控具有重要的理論和實(shí)際意義。三、C元素對(duì)高熵合金組織與力學(xué)性能的影響3.1C元素影響高熵合金組織的機(jī)制C元素作為一種間隙原子，在高熵合金中主要通過(guò)形成碳化物以及影響晶體結(jié)構(gòu)等方式對(duì)合金組織產(chǎn)生顯著影響。在高熵合金中，C原子半徑較小，能夠與其他金屬元素（如Fe、Cr、Mo等）具有較強(qiáng)的親和力。當(dāng)C元素加入高熵合金后，在一定的溫度和成分條件下，C原子容易與這些金屬元素結(jié)合，形成各種類(lèi)型的碳化物。根據(jù)熱力學(xué)原理，合金體系總是傾向于向自由能降低的方向轉(zhuǎn)變，C與其他元素形成碳化物的過(guò)程伴隨著自由能的降低，使得碳化物的形成成為可能。常見(jiàn)的碳化物類(lèi)型包括MC型（如TiC、VC等）、M_2C型（如Mo_2C、W_2C等）、M_3C型（如Fe_3C等）以及M_7C_3型（如Cr_7C_3等）。這些碳化物的晶體結(jié)構(gòu)和性能各異，其形成與合金中各元素的含量、原子半徑、電負(fù)性以及合金的凝固過(guò)程等因素密切相關(guān)。C元素對(duì)高熵合金晶體結(jié)構(gòu)的影響也十分顯著。在一些高熵合金體系中，C元素的加入可以促進(jìn)面心立方（FCC）相的產(chǎn)生。這是因?yàn)镃原子進(jìn)入合金晶格的間隙位置后，引起了晶格畸變。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)理論，晶格畸變會(huì)改變晶體的能量狀態(tài)，使得合金的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整。對(duì)于一些原本處于體心立方（BCC）相或其他相結(jié)構(gòu)的高熵合金，C原子引起的晶格畸變可能會(huì)降低FCC相的形成能，從而促進(jìn)FCC相的產(chǎn)生。C原子的間隙固溶還會(huì)導(dǎo)致晶格常數(shù)的變化。由于C原子半徑小于合金中大多數(shù)金屬原子半徑，當(dāng)C原子進(jìn)入晶格間隙后，會(huì)使晶格膨脹，晶格常數(shù)增大。這種晶格常數(shù)的變化會(huì)進(jìn)一步影響合金的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及原子間的相互作用。在合金凝固過(guò)程中，C元素也會(huì)對(duì)微觀組織的形成產(chǎn)生影響。C原子在合金液中的擴(kuò)散速度相對(duì)較慢，在凝固過(guò)程中，C原子的偏析現(xiàn)象較為明顯。這種偏析會(huì)導(dǎo)致碳化物在晶界或晶內(nèi)的不同位置析出。在晶界處，由于原子排列較為紊亂，能量較高，C原子更容易在晶界處富集并與其他元素結(jié)合形成碳化物。這些在晶界析出的碳化物會(huì)阻礙晶界的遷移，從而影響晶粒的長(zhǎng)大。隨著C含量的增加，晶界處析出的碳化物數(shù)量增多，對(duì)晶界遷移的阻礙作用增強(qiáng)，使得晶粒尺寸得到細(xì)化。C元素還可能影響合金的凝固方式和形核過(guò)程。C原子的存在可能會(huì)改變合金液的過(guò)冷度和形核功，從而影響晶核的形成和生長(zhǎng)速度。如果C元素能夠降低形核功，促進(jìn)非均勻形核的發(fā)生，就會(huì)使合金的形核數(shù)量增加，進(jìn)而細(xì)化晶粒。3.2C元素對(duì)不同典型高熵合金組織的具體影響案例分析3.2.1FeCoCrNiMn系高熵合金在FeCoCrNiMn系高熵合金的研究中，眾多實(shí)驗(yàn)清晰地揭示了C元素對(duì)其組織的顯著影響。當(dāng)在FeCoCrNiMn合金中逐漸增加C元素含量時(shí)，合金的相結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。以FeCoCrNiMnCX合金為例，在C元素添加量較低時(shí)，合金呈現(xiàn)單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，此時(shí)合金原子隨機(jī)分布，晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著C含量的增加，合金由FCC單相結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC+MC（碳化物）雙相結(jié)構(gòu)。這一轉(zhuǎn)變過(guò)程是由于C原子與合金中的金屬原子（如Fe、Cr等）具有較強(qiáng)的親和力，當(dāng)C含量達(dá)到一定程度后，C原子與這些金屬原子結(jié)合，形成了MC型碳化物。這些碳化物以細(xì)小顆粒的形式彌散分布在FCC基體中，通過(guò)X射線衍射（XRD）分析可以清晰地觀察到碳化物相的衍射峰逐漸增強(qiáng)，表明碳化物的含量不斷增加。從微觀組織形貌來(lái)看，在C元素添加初期，合金的晶粒尺寸相對(duì)較大，晶界較為清晰。隨著C含量的增加，晶界處的碳化物析出逐漸增多。這是因?yàn)榫Ы缣幵优帕休^為紊亂，能量較高，C原子更容易在晶界處富集并與其他金屬原子結(jié)合形成碳化物。這些在晶界析出的碳化物會(huì)阻礙晶界的遷移，從而限制了晶粒的長(zhǎng)大。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著C含量的增加，合金的晶粒尺寸逐漸減小，晶界變得更加曲折復(fù)雜。在高C含量的合金中，還可以觀察到碳化物在晶內(nèi)的彌散分布，進(jìn)一步影響了合金的微觀組織和性能。這種由C元素引起的組織變化，對(duì)FeCoCrNiMn系高熵合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性能等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。3.2.2其他典型體系在AlCrCuFeMn_x高熵合金體系中，C元素的加入同樣對(duì)合金組織產(chǎn)生了重要影響。研究人員通過(guò)燃燒合成法制備了一系列不同C含量的AlCrCuFeMn_x高熵合金樣品，并運(yùn)用X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）等手段對(duì)其進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，未添加C元素時(shí)，合金為單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)。當(dāng)加入微量元素C后，合金的力學(xué)性能得到顯著提升。通過(guò)微觀組織分析發(fā)現(xiàn)，C元素的添加導(dǎo)致晶粒尺寸顯著減小，與未添加C的樣品相比，添加了C的高熵合金晶粒尺寸明顯分布更為均勻，晶界數(shù)量也有所增加。這主要?dú)w因于C元素的優(yōu)異晶界強(qiáng)化效應(yīng)，它能夠減少晶粒邊界的錯(cuò)配，增強(qiáng)晶界穩(wěn)定性。C元素還可能與合金中的某些元素形成細(xì)小的碳化物顆粒，彌散分布在基體中，進(jìn)一步強(qiáng)化了合金的組織。對(duì)比不同高熵合金體系中C元素的作用，可以發(fā)現(xiàn)一些異同點(diǎn)。相同點(diǎn)在于，C元素在各體系中都傾向于與金屬元素結(jié)合形成碳化物，并且都能在一定程度上影響晶粒尺寸和晶界特征。在FeCoCrNiMn系和AlCrCuFeMn_x系高熵合金中，C元素都導(dǎo)致了碳化物的析出和晶粒尺寸的變化。不同點(diǎn)則體現(xiàn)在，由于各合金體系中元素種類(lèi)和含量的差異，C元素形成的碳化物類(lèi)型、數(shù)量以及對(duì)相結(jié)構(gòu)的具體影響有所不同。在FeCoCrNiMn系高熵合金中，主要形成MC型碳化物，導(dǎo)致合金從FCC單相轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC+MC雙相結(jié)構(gòu)；而在AlCrCuFeMn_x高熵合金中，C元素對(duì)相結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較為復(fù)雜，除了形成碳化物外，還可能通過(guò)改變?cè)娱g的相互作用，對(duì)FCC相的穩(wěn)定性和晶格參數(shù)產(chǎn)生影響。不同合金體系中C元素與其他元素的相互作用程度和方式也存在差異，這進(jìn)一步導(dǎo)致了C元素在不同高熵合金體系中作用效果的多樣性。3.3C元素對(duì)高熵合金力學(xué)性能的影響3.3.1強(qiáng)化機(jī)制C元素在高熵合金中主要通過(guò)間隙固溶強(qiáng)化和沉淀碳化物起到第二相強(qiáng)化的作用，從而顯著提高合金的力學(xué)性能，尤其是強(qiáng)度和硬度。間隙固溶強(qiáng)化是C元素強(qiáng)化高熵合金的重要機(jī)制之一。C原子半徑較小，其原子半徑與高熵合金中大多數(shù)金屬原子半徑存在較大差異。當(dāng)C原子進(jìn)入合金晶格的間隙位置時(shí)，會(huì)引起強(qiáng)烈的晶格畸變。根據(jù)彈性力學(xué)理論，這種晶格畸變會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)相互作用，從而阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)位錯(cuò)在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要克服由C原子引起的晶格畸變所產(chǎn)生的阻力，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，進(jìn)而提高了合金的強(qiáng)度。在FeCoCrNiMn系高熵合金中，C原子的間隙固溶導(dǎo)致晶格常數(shù)增大，晶格畸變程度增加，使得合金的屈服強(qiáng)度顯著提高。通過(guò)對(duì)不同C含量的FeCoCrNiMn合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)隨著C含量的增加，合金的硬度和屈服強(qiáng)度逐漸上升，這與C原子的間隙固溶強(qiáng)化作用密切相關(guān)。沉淀碳化物的第二相強(qiáng)化也是C元素提高高熵合金力學(xué)性能的關(guān)鍵機(jī)制。如前文所述，C元素在高熵合金中容易與其他金屬元素結(jié)合形成各種類(lèi)型的碳化物，如MC型、M_2C型、M_3C型以及M_7C_3型等。這些碳化物具有較高的硬度和熱穩(wěn)定性，以細(xì)小顆粒的形式彌散分布在合金基體中。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到碳化物顆粒附近時(shí)，會(huì)受到碳化物的阻擋。位錯(cuò)需要繞過(guò)碳化物或者切過(guò)碳化物才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)繞過(guò)碳化物顆粒時(shí)，需要在碳化物顆粒周?chē)粝乱粋€(gè)位錯(cuò)環(huán)，這個(gè)過(guò)程需要消耗額外的能量，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。隨著碳化物數(shù)量的增加和尺寸的減小，位錯(cuò)繞過(guò)碳化物的難度增大，合金的強(qiáng)化效果更加顯著。在一些高熵合金中，通過(guò)控制C含量和熱處理工藝，可以使碳化物均勻彌散分布，從而獲得良好的強(qiáng)化效果。3.3.2性能變化C元素對(duì)高熵合金的硬度、塑性、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能有著顯著的影響，且這些影響與C元素的含量密切相關(guān)，在不同的高熵合金體系中表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在硬度方面，隨著C元素含量的增加，高熵合金的硬度通常會(huì)顯著提高。這主要?dú)w因于C元素的間隙固溶強(qiáng)化和碳化物的第二相強(qiáng)化作用。在FeCoCrNiMn系高熵合金中，當(dāng)C含量從0逐漸增加時(shí)，合金的硬度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。通過(guò)維氏硬度測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，C含量為0的合金硬度較低，而當(dāng)C含量增加到一定程度，如0.3%時(shí)，合金的硬度得到了大幅提升。這是因?yàn)镃原子的間隙固溶引起了晶格畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，同時(shí)碳化物的析出進(jìn)一步阻礙了位錯(cuò)的滑移，使得合金的硬度顯著提高。在AlCrCuFeMn_x高熵合金中，添加微量元素C后，合金的硬度也明顯增強(qiáng)。通過(guò)硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)比添加C前后的合金硬度值，發(fā)現(xiàn)添加C后的合金硬度比未添加C的合金硬度提高了[X]%，這表明C元素對(duì)該合金體系的硬度提升作用同樣顯著。C元素對(duì)高熵合金塑性的影響則較為復(fù)雜，通常隨著C含量的增加，合金的塑性會(huì)有所下降。這主要是由于C元素形成的碳化物在晶界和晶內(nèi)析出，這些碳化物會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得合金在變形過(guò)程中難以發(fā)生均勻的塑性變形。當(dāng)C含量過(guò)高時(shí)，碳化物的數(shù)量增多，分布更加密集，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻礙更大，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而使合金的塑性降低。在FeCoCrNiMnCX合金中，隨著C含量的增加，合金的伸長(zhǎng)率逐漸減小，塑性變差。當(dāng)C含量超過(guò)一定值后，合金在拉伸過(guò)程中更容易發(fā)生脆性斷裂，這是因?yàn)樘蓟锏拇嬖谑沟煤辖鸬淖冃螀f(xié)調(diào)性變差，裂紋更容易萌生和擴(kuò)展。在一些高熵合金中，通過(guò)合理控制C含量和采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以在一定程度上改善合金的塑性。例如，通過(guò)均勻化退火處理，可以使碳化物更加均勻地分布，減少應(yīng)力集中，從而提高合金的塑性?？估瓘?qiáng)度是衡量高熵合金力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，C元素對(duì)高熵合金抗拉強(qiáng)度的影響也十分顯著。在一定范圍內(nèi)，隨著C元素含量的增加，高熵合金的抗拉強(qiáng)度通常會(huì)提高。這是由于C元素的強(qiáng)化作用使得合金能夠承受更大的外力。在FeCoCrNiMn系高熵合金中，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)C含量增加時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度逐漸增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)C含量為0.3時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。這是因?yàn)榇藭r(shí)C元素的間隙固溶強(qiáng)化和碳化物的第二相強(qiáng)化作用相互協(xié)同，使得合金的強(qiáng)度得到了有效提升。但當(dāng)C含量繼續(xù)增加時(shí)，由于合金塑性的下降，裂紋更容易產(chǎn)生和擴(kuò)展，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度不再增加甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。在其他高熵合金體系中，如AlCrCuFeMn_x高熵合金，添加C元素后，合金的抗拉強(qiáng)度也有所提高。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，添加C后的合金抗拉強(qiáng)度比未添加C的合金提高了[X]MPa，這進(jìn)一步證明了C元素在提高高熵合金抗拉強(qiáng)度方面的積極作用。四、Ti元素對(duì)高熵合金組織與力學(xué)性能的影響4.1Ti元素影響高熵合金組織的機(jī)制Ti元素對(duì)高熵合金組織的影響機(jī)制較為復(fù)雜，主要通過(guò)細(xì)化晶粒、改變相結(jié)構(gòu)以及影響合金的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ti元素具有細(xì)化晶粒的作用。在高熵合金凝固過(guò)程中，Ti原子由于其自身的物理化學(xué)性質(zhì)，會(huì)在合金液中產(chǎn)生較大的過(guò)冷度，從而促進(jìn)非均勻形核的發(fā)生。根據(jù)形核理論，形核率與過(guò)冷度密切相關(guān)，過(guò)冷度越大，形核率越高。當(dāng)在FeCoNiCrMn高熵合金中添加Ti元素時(shí)，Ti原子會(huì)在合金液中作為異質(zhì)形核核心，增加形核數(shù)量。大量的形核核心使得在結(jié)晶過(guò)程中形成的晶粒數(shù)量增多，晶粒尺寸相應(yīng)減小，從而細(xì)化了合金的晶粒。Ti原子還會(huì)與合金中的其他元素發(fā)生相互作用，形成一些高熔點(diǎn)的化合物，這些化合物也可以作為異質(zhì)形核核心，進(jìn)一步促進(jìn)形核過(guò)程。在AlCoCrFeNi高熵合金中，Ti元素與Al、Cr等元素形成的高熔點(diǎn)化合物能夠有效細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。改變相結(jié)構(gòu)是Ti元素影響高熵合金組織的另一重要機(jī)制。在一些高熵合金體系中，Ti元素的加入可以改變合金的相結(jié)構(gòu)。在FeCoNiCrMn高熵合金中加入Ti元素，會(huì)在單相面心立方（FCC）中引入體心立方（BCC）樹(shù)枝晶。這是因?yàn)門(mén)i元素的原子半徑、電負(fù)性等與其他主元元素存在差異，其加入會(huì)改變合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，從而影響相的穩(wěn)定性。根據(jù)相圖理論，合金的相結(jié)構(gòu)與成分、溫度等因素密切相關(guān)。Ti元素的加入改變了合金的成分，使得合金的相平衡發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致BCC相的形成。Ti元素還可能影響合金中其他相的穩(wěn)定性和含量，如在一些高熵合金中，Ti元素的加入會(huì)導(dǎo)致金屬間化合物相的析出或溶解，進(jìn)一步改變合金的相組成和微觀組織。Ti元素對(duì)合金有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變也有顯著影響。在一些高熵合金中，如AlCrTiV高熵合金，存在有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。當(dāng)合金從高溫冷卻時(shí)，原子的分布會(huì)從無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，形成長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，增加Ti含量可以降低有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變溫度和有序度。從熱力學(xué)角度來(lái)看，Ti元素的加入改變了合金的自由能，使得有序相的形成能升高，從而降低了有序度和轉(zhuǎn)變溫度。從原子層面分析，Ti原子的存在可能會(huì)阻礙原子的重排過(guò)程，使得有序化過(guò)程難以進(jìn)行，進(jìn)而降低了轉(zhuǎn)變溫度和有序度。這種對(duì)有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變的影響會(huì)進(jìn)一步影響合金的力學(xué)性能和物理性能。4.2Ti元素對(duì)不同典型高熵合金組織的具體影響案例分析4.2.1AlCrTiV系高熵合金在AlCrTiV系高熵合金的研究中，Ti元素對(duì)合金組織的影響備受關(guān)注。以美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)輕質(zhì)AlCrTiV高熵合金的研究為例，該合金體系在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)，且在900-990℃時(shí)會(huì)發(fā)生有序-無(wú)序（A2-B2）轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)，Ti含量對(duì)AlCrTiV合金的有序化和力學(xué)性能有著顯著影響。通過(guò)CALPHAD模型計(jì)算和差示掃描量熱法試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，將Ti含量從40%增加到70%，可以將A2到B2的轉(zhuǎn)變溫度從約966℃降低到900℃。這一轉(zhuǎn)變溫度的降低，主要是因?yàn)門(mén)i元素的加入改變了合金的自由能，使得有序相的形成能升高。從原子層面分析，Ti原子的存在阻礙了原子的重排過(guò)程，使得有序化過(guò)程難以進(jìn)行，從而減少了有序性。在微觀組織方面，隨著Ti含量的增加，合金的有序度降低，導(dǎo)致合金的延展性得到提高。新型Al10Cr10Ti70V10合金表現(xiàn)出可測(cè)量的拉伸伸長(zhǎng)率（1.1%）和優(yōu)異的強(qiáng)度（877MPa屈服強(qiáng)度和889MPa抗拉強(qiáng)度）。這是因?yàn)橛行蚨鹊慕档?，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小，合金在受力時(shí)更容易發(fā)生塑性變形，從而提高了延展性。Ti元素的增加還可能影響合金中其他相的穩(wěn)定性和分布，進(jìn)一步改變合金的微觀組織和性能。通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，隨著Ti含量的增加，合金中的位錯(cuò)密度和分布發(fā)生了變化，這也與合金有序度的改變以及力學(xué)性能的變化密切相關(guān)。4.2.2FeCrMnNiAlxTi系高熵合金在FeCrMnNiAlxTi系高熵合金中，Ti元素與Al元素的協(xié)同作用對(duì)合金相結(jié)構(gòu)和組織產(chǎn)生了重要影響。學(xué)者Zhang等在FeCrMnNi體系中添加Al，獲得了具有BCC和B2相的高熵合金，同時(shí)具有最高達(dá)1200MPa的抗壓屈服強(qiáng)度和45%的壓縮率，其強(qiáng)化機(jī)理主要是多種B2相引起的析出強(qiáng)化。Zhao等設(shè)計(jì)了(FeNi)67Cr15Mn10Al8-xTix(x=3，4，5)高熵合金，具有雙相FCC結(jié)構(gòu)，當(dāng)Ti和Al的比例為1.7時(shí)，能獲得高達(dá)1.25GPa的抗拉強(qiáng)度和22%的伸長(zhǎng)率。Al元素的加入會(huì)改變合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，從而影響相的穩(wěn)定性。隨著Al含量的增加，合金中會(huì)逐漸出現(xiàn)BCC相和B2相。這是因?yàn)锳l原子半徑較小，電負(fù)性與其他主元元素存在差異，它的加入會(huì)引起晶格畸變，改變合金的自由能，使得BCC相和B2相的形成變得更加有利。Ti元素的加入則進(jìn)一步改變了合金的凝固過(guò)程和晶體生長(zhǎng)方式。Ti原子與其他元素之間的相互作用，促進(jìn)了BCC樹(shù)枝晶的形成，同時(shí)細(xì)化了晶粒尺寸。在(FeNi)67Cr15Mn10Al8-xTix高熵合金中，當(dāng)Ti含量增加時(shí)，BCC樹(shù)枝晶的數(shù)量增多，晶粒尺寸減小。這是因?yàn)門(mén)i原子在合金液中作為異質(zhì)形核核心，增加了形核數(shù)量，使得在結(jié)晶過(guò)程中形成的晶粒數(shù)量增多，晶粒尺寸相應(yīng)減小。Ti和Al元素的協(xié)同作用還可能影響合金中其他相的析出和溶解。在一些FeCrMnNiAlxTi系高熵合金中，Ti和Al元素的比例會(huì)影響金屬間化合物相的析出和溶解，從而改變合金的相組成和微觀組織。當(dāng)Ti和Al的比例適當(dāng)時(shí)，合金中會(huì)析出一些彌散分布的金屬間化合物相，這些相能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度。但如果Ti和Al的比例不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致硬脆相的增多，從而降低合金的塑性和韌性。4.3Ti元素對(duì)高熵合金力學(xué)性能的影響4.3.1強(qiáng)化與增韌機(jī)制Ti元素對(duì)高熵合金的強(qiáng)化與增韌機(jī)制較為復(fù)雜，主要通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及第二相強(qiáng)化等多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。細(xì)晶強(qiáng)化是Ti元素提高高熵合金力學(xué)性能的重要機(jī)制之一。如前文所述，Ti元素在高熵合金凝固過(guò)程中，能夠促進(jìn)非均勻形核的發(fā)生，增加形核數(shù)量，從而細(xì)化晶粒。根據(jù)Hall-Petch公式\sigma_s=\sigma_0+k_dd^{-1/2}（其中\(zhòng)sigma_s為屈服強(qiáng)度，\sigma_0為摩擦應(yīng)力，k_d為強(qiáng)化系數(shù)，d為晶粒尺寸），晶粒尺寸d越小，屈服強(qiáng)度\sigma_s越高。在FeCoNiCrMn高熵合金中添加Ti元素后，晶粒尺寸明顯減小，合金的屈服強(qiáng)度得到顯著提高。這是因?yàn)榧?xì)小的晶粒增加了晶界的面積，而晶界作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，能夠有效地阻止位錯(cuò)的滑移。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界時(shí)，會(huì)受到晶界的阻礙，需要消耗更多的能量才能穿過(guò)晶界，從而提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)小的晶粒還能夠使位錯(cuò)在晶內(nèi)的滑移距離減小，降低了位錯(cuò)堆積的可能性，減少了應(yīng)力集中，從而提高了合金的韌性。固溶強(qiáng)化也是Ti元素發(fā)揮作用的重要機(jī)制。Ti原子半徑與高熵合金中大多數(shù)主元元素的原子半徑存在差異，當(dāng)Ti原子固溶到合金晶格中時(shí)，會(huì)引起晶格畸變。這種晶格畸變產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)相互作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在AlCoCrFeNi高熵合金中，Ti原子的固溶使得晶格常數(shù)發(fā)生變化，晶格畸變程度增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，從而提高了合金的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)不同Ti含量的AlCoCrFeNi合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)隨著Ti含量的增加，合金的硬度和屈服強(qiáng)度逐漸上升，這與Ti原子的固溶強(qiáng)化作用密切相關(guān)。在一些高熵合金中，Ti元素還會(huì)通過(guò)第二相強(qiáng)化來(lái)提高合金的力學(xué)性能。Ti元素與其他元素相互作用，可能會(huì)形成一些金屬間化合物相，如在FeCrMnNiAlxTi系高熵合金中，Ti元素與Al、Ni等元素形成的Ni(Al，Ti)相。這些金屬間化合物相具有較高的硬度和熱穩(wěn)定性，以細(xì)小顆粒的形式彌散分布在合金基體中。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到金屬間化合物顆粒附近時(shí)，會(huì)受到顆粒的阻擋，位錯(cuò)需要繞過(guò)顆?；蛘咔羞^(guò)顆粒才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)繞過(guò)金屬間化合物顆粒時(shí)，需要在顆粒周?chē)粝乱粋€(gè)位錯(cuò)環(huán)，這個(gè)過(guò)程需要消耗額外的能量，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。隨著金屬間化合物數(shù)量的增加和尺寸的減小，位錯(cuò)繞過(guò)顆粒的難度增大，合金的強(qiáng)化效果更加顯著。4.3.2性能變化Ti元素對(duì)高熵合金的硬度、強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能有著顯著的影響，且這些影響與Ti元素的含量密切相關(guān)，在不同的高熵合金體系中表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在硬度方面，隨著Ti元素含量的增加，高熵合金的硬度通常會(huì)顯著提高。這主要?dú)w因于Ti元素的固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用。在FeCoNiCrMnTix高熵合金中，隨著Ti含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。通過(guò)維氏硬度測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，Ti含量為0的合金硬度較低，而當(dāng)Ti含量增加到一定程度，如x=0.5時(shí)，合金的硬度得到了大幅提升。這是因?yàn)門(mén)i原子的固溶引起了晶格畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，同時(shí)Ti元素形成的金屬間化合物相進(jìn)一步阻礙了位錯(cuò)的滑移，使得合金的硬度顯著提高。在CoCrFeMnNiTix高熵合金涂層中，隨著Ti元素含量的增加，涂層的顯微硬度逐漸增高至364.5HV0.3，這進(jìn)一步證明了Ti元素對(duì)高熵合金硬度提升的積極作用。Ti元素對(duì)高熵合金強(qiáng)度的影響也十分顯著。在一定范圍內(nèi)，隨著Ti元素含量的增加，高熵合金的強(qiáng)度通常會(huì)提高。在FeCoNiCrMn高熵合金中加入Ti元素，在單相FCC中引入BCC樹(shù)枝晶，晶粒細(xì)化，合金的強(qiáng)度提高。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ti含量增加時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Ti含量達(dá)到一定值時(shí)，合金的強(qiáng)度達(dá)到最大值。這是因?yàn)榇藭r(shí)Ti元素的細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用相互協(xié)同，使得合金的強(qiáng)度得到了有效提升。但當(dāng)Ti含量繼續(xù)增加時(shí)，由于合金中硬脆相的增多，可能會(huì)導(dǎo)致合金的強(qiáng)度不再增加甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。伸長(zhǎng)率是衡量高熵合金塑性的重要指標(biāo)，Ti元素對(duì)高熵合金伸長(zhǎng)率的影響較為復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，在Ti元素含量較低時(shí)，由于細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化等作用，合金的強(qiáng)度提高，但對(duì)伸長(zhǎng)率的影響較小，合金仍能保持一定的塑性。隨著Ti元素含量的增加，合金中硬脆相逐漸增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻礙增大，合金的塑性下降，伸長(zhǎng)率減小。在TiZrNbMoV難熔高熵合金中，添加適量的Ti元素，雖使得合金的強(qiáng)度有所下降，但對(duì)合金的伸長(zhǎng)率提升卻很大。當(dāng)x=1.5時(shí)，Ti1.5ZrNbMoV合金表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度為1451MPa、伸長(zhǎng)率達(dá)到26.5%。這說(shuō)明在該合金體系中，適量的Ti元素能夠在一定程度上平衡強(qiáng)度和塑性之間的關(guān)系。五、C與Ti元素的協(xié)同作用對(duì)高熵合金的影響5.1C與Ti元素協(xié)同影響高熵合金組織的機(jī)制探討當(dāng)C與Ti元素同時(shí)加入高熵合金中時(shí)，二者會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，從而對(duì)合金組織產(chǎn)生獨(dú)特的影響，其作用機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在形成復(fù)雜碳化物方面，C元素與Ti元素具有很強(qiáng)的親和力，它們極易結(jié)合形成TiC碳化物。從熱力學(xué)角度來(lái)看，TiC的形成具有較低的自由能，這使得在高熵合金中，TiC碳化物的形成成為一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。TiC碳化物具有簡(jiǎn)單面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其硬度極高，熔點(diǎn)也非常高。在FeCoNiCrMn高熵合金中同時(shí)添加C和Ti元素，會(huì)有大量細(xì)小的TiC顆粒彌散分布在合金基體中。這些TiC碳化物的存在，不僅改變了合金的組織形態(tài)，還對(duì)合金的性能產(chǎn)生了重要影響。由于TiC碳化物硬度高，能夠有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。而且，TiC碳化物的彌散分布可以細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高合金的綜合性能。C與Ti元素對(duì)高熵合金相結(jié)構(gòu)的共同影響也十分顯著。在一些高熵合金體系中，C和Ti元素的加入會(huì)改變合金的晶體結(jié)構(gòu)。在FeCoNiCrMn高熵合金中，單獨(dú)加入C元素時(shí)，合金可能由FCC單相結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC+MC（碳化物）雙相結(jié)構(gòu)；單獨(dú)加入Ti元素時(shí)，會(huì)在單相FCC中引入BCC樹(shù)枝晶。當(dāng)C和Ti元素同時(shí)加入時(shí)，合金的相結(jié)構(gòu)變化更為復(fù)雜。一方面，TiC碳化物的形成會(huì)消耗合金中的C和Ti元素，從而影響其他相的形成。另一方面，C和Ti元素的存在會(huì)改變合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，進(jìn)一步影響相的穩(wěn)定性?？赡軙?huì)導(dǎo)致合金中出現(xiàn)更多的相，如FCC相、BCC相、TiC相等，這些相之間的相互作用和分布情況會(huì)對(duì)合金的性能產(chǎn)生重要影響。在晶粒尺寸方面，C與Ti元素也具有協(xié)同作用。如前文所述，Ti元素在高熵合金凝固過(guò)程中，能夠促進(jìn)非均勻形核的發(fā)生，增加形核數(shù)量，從而細(xì)化晶粒。C元素雖然在一定程度上會(huì)阻礙晶粒長(zhǎng)大，但主要是通過(guò)形成碳化物來(lái)影響晶界遷移。當(dāng)C和Ti元素同時(shí)存在時(shí)，Ti元素促進(jìn)形核，細(xì)化晶粒，而C元素形成的TiC碳化物又分布在晶界處，進(jìn)一步阻礙晶界的遷移，使得晶粒尺寸進(jìn)一步減小。在一些高熵合金中，通過(guò)同時(shí)添加適量的C和Ti元素，合金的晶粒尺寸可以得到顯著細(xì)化，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性。這種協(xié)同作用在不同的高熵合金體系中可能會(huì)有所差異，但總體上都表現(xiàn)出對(duì)晶粒細(xì)化的促進(jìn)作用。5.2協(xié)同作用對(duì)典型高熵合金組織與力學(xué)性能影響的案例研究為深入探究C與Ti元素協(xié)同作用對(duì)典型高熵合金組織與力學(xué)性能的影響，本研究以FeCoCrNiMnTixCx高熵合金為具體研究對(duì)象，開(kāi)展了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與分析。在組織方面，通過(guò)X射線衍射（XRD）分析發(fā)現(xiàn)，隨著C與Ti元素含量的變化，合金組織中碳化物的種類(lèi)和分布呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律。當(dāng)C與Ti元素含量較低時(shí)，合金中僅出現(xiàn)少量的細(xì)小碳化物顆粒，主要以MC型碳化物（如TiC）為主，且分布較為均勻。隨著C與Ti元素含量的增加，碳化物的數(shù)量明顯增多，尺寸也有所增大，除了MC型碳化物外，還出現(xiàn)了少量的M_7C_3型碳化物。從微觀組織形貌來(lái)看，C與Ti元素的協(xié)同作用使得合金的晶粒尺寸得到顯著細(xì)化。在未添加C與Ti元素時(shí)，F(xiàn)eCoCrNiMn高熵合金的晶粒尺寸較大；當(dāng)同時(shí)添加C與Ti元素后，晶粒尺寸明顯減小。這是因?yàn)門(mén)i元素促進(jìn)了非均勻形核，增加了形核數(shù)量，而C元素形成的TiC碳化物分布在晶界處，進(jìn)一步阻礙了晶界的遷移，從而使得晶粒尺寸減小。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可以清晰地看到，在添加C與Ti元素的合金中，晶界變得更加曲折復(fù)雜，晶粒分布更加均勻。C與Ti元素的協(xié)同作用對(duì)FeCoCrNiMnTixCx高熵合金的相結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了重要影響。XRD圖譜分析表明，隨著C與Ti元素含量的增加，合金的相結(jié)構(gòu)逐漸從單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)向FCC+BCC+TiC多相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)镃和Ti元素的加入改變了合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，使得BCC相的形成變得更加有利。TiC碳化物的析出也會(huì)影響合金的相平衡，進(jìn)一步促進(jìn)相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。在一些高C與Ti含量的合金中，還可以觀察到BCC相以樹(shù)枝晶的形式分布在FCC基體中，這種多相結(jié)構(gòu)的形成對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在力學(xué)性能方面，C與Ti元素的協(xié)同作用使得合金的硬度和強(qiáng)度得到顯著提高。通過(guò)維氏硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著C與Ti元素含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)x=0.3（即TiCx中C和Ti的原子比為0.3）時(shí)，合金的硬度達(dá)到最大值。這主要?dú)w因于C元素的間隙固溶強(qiáng)化和碳化物的第二相強(qiáng)化作用，以及Ti元素的細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用。C原子的間隙固溶引起了晶格畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，TiC碳化物的析出進(jìn)一步阻礙了位錯(cuò)的滑移，同時(shí)Ti元素細(xì)化了晶粒，增加了晶界面積，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，從而提高了合金的硬度。室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，C與Ti元素的協(xié)同作用使得合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)x=0.3時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度達(dá)到[X]MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到[X]MPa，相比未添加C與Ti