AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金：顯微組織與性能的深入剖析一、緒論1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笕找鎳?yán)苛，傳統(tǒng)合金在面對復(fù)雜工況時逐漸力不從心。高熵合金（HighEntropyAlloys，HEAs）作為材料科學(xué)領(lǐng)域的后起之秀，自2004年被提出以來，憑借其獨特的多主元合金化設(shè)計理念和優(yōu)異的性能，迅速成為研究熱點。傳統(tǒng)合金通常以一種或兩種金屬元素為基體，添加少量其他元素來優(yōu)化性能，其成分設(shè)計空間局限于多元相圖的邊角區(qū)域，元素組合有限，新型合金材料的開發(fā)因此受到束縛。而高熵合金打破了這一傳統(tǒng)理念，它一般由五種或五種以上主元素以等原子比或近等原子比組成，各元素原子百分比在5%-35%之間。這種多主元的混合使得合金具有高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、遲滯擴散效應(yīng)和“雞尾酒”效應(yīng)，進而展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能（如高強度、高韌性、良好的加工硬化能力）、出色的耐腐蝕性、優(yōu)秀的耐高溫性能以及獨特的物理性能（如磁性、電學(xué)性能等）。目前，高熵合金的研究已廣泛涵蓋材料設(shè)計、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)表征、性能測試與應(yīng)用探索等多個方面。在材料設(shè)計上，研究者們運用熱力學(xué)計算、相圖分析以及機器學(xué)習(xí)等手段，預(yù)測合金成分與性能之間的關(guān)系，探索更多潛在的合金體系；制備工藝方面，真空熔煉法（包括真空電弧熔煉和真空感應(yīng)熔煉）、粉末冶金法、增材制造技術(shù)（如選擇性激光熔化、電子束熔化）、磁控濺射法等不斷涌現(xiàn)，為高熵合金的制備提供了多樣化選擇；微觀結(jié)構(gòu)表征借助掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）等先進技術(shù)，深入探究合金的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、晶粒尺寸與分布等；性能測試則全面考察高熵合金在力學(xué)、腐蝕、高溫等不同環(huán)境下的性能表現(xiàn)；應(yīng)用探索領(lǐng)域，高熵合金已在航空航天、能源、生物醫(yī)療、汽車制造等行業(yè)展現(xiàn)出巨大潛力，如航空發(fā)動機熱端部件的高熵涂層、核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料、生物植入體以及汽車發(fā)動機零部件等。盡管高熵合金研究取得了顯著進展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在理論方面，高熵合金的形成機制、強化機理等尚未完全明晰，缺乏統(tǒng)一完善的理論體系來指導(dǎo)合金成分設(shè)計與性能優(yōu)化。實際應(yīng)用中，高熵合金的制備成本高昂、工藝復(fù)雜，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)困難重重；成分偏析問題嚴(yán)重影響合金性能的均勻性與穩(wěn)定性；此外，高熵合金與現(xiàn)有工業(yè)體系的兼容性也有待進一步研究。AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金作為高熵合金家族中的一員，兼具多種元素的特性。其中，Al元素可有效提高合金的強度和硬度，增強其抗氧化性能；Fe、Cr、Co、Ni元素則賦予合金良好的韌性、耐腐蝕性和綜合力學(xué)性能；Zr元素的加入可能會細(xì)化晶粒，進一步優(yōu)化合金的力學(xué)性能，還可能影響合金的相結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。對該系高熵合金的研究，不僅有助于深入理解高熵合金的形成規(guī)律、微觀結(jié)構(gòu)演變與性能調(diào)控機制，完善高熵合金理論體系，還可能開發(fā)出具有優(yōu)異綜合性能的新型合金材料，推動材料科學(xué)的發(fā)展。從工業(yè)應(yīng)用角度來看，若能成功研發(fā)出性能優(yōu)良、成本可控的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金，有望在航空航天領(lǐng)域用于制造飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，提高其在復(fù)雜環(huán)境下的服役性能與可靠性；在汽車制造中，可用于生產(chǎn)發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等零部件，提升汽車的動力性能和耐久性；在能源領(lǐng)域，可作為高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備、儲能裝置等，提高能源利用效率。因此，開展AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的顯微組織和性能研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值，對推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和創(chuàng)新發(fā)展具有積極作用。1.2高熵合金概述1.2.1高熵合金的定義高熵合金（HighEntropyAlloys，HEAs），最初被定義為至少由五種主要元素組成，且每種元素的原子百分比在5%-35%之間，若含有次要元素，其含量小于5%的合金。這一概念打破了傳統(tǒng)合金以一種或兩種金屬元素為主要基體的設(shè)計理念。傳統(tǒng)合金通常以某一種元素為絕對主導(dǎo)，例如鋼鐵以鐵元素為基體，鋁合金以鋁元素為基體，添加少量其他元素主要是為了實現(xiàn)有限的性能優(yōu)化，成分設(shè)計受限于復(fù)雜的多元相圖，往往局限在相圖的邊角區(qū)域。而高熵合金采用多主元等原子比或近等原子比的混合方式，使合金成分處于多元相圖的中心區(qū)域，極大地拓展了合金成分的設(shè)計空間。隨著研究的不斷深入，高熵合金的定義也在逐步完善。如今，三元和四元的近等摩爾比材料在滿足一定條件時，也被納入高熵合金的范疇。這一拓展使得高熵合金的體系更加豐富多樣，為材料科學(xué)家們提供了更多探索和創(chuàng)新的機會。1.2.2高熵合金的特點高熵效應(yīng)：在熱力學(xué)中，熵是用于描述系統(tǒng)混亂程度的重要參數(shù)。對于高熵合金而言，多種主元元素的等原子比或近等原子比混合，使其具有較高的混合熵。根據(jù)玻爾茲曼熵公式S=k\lnW（其中S為熵，k為玻爾茲曼常數(shù)，W為熱力學(xué)概率），當(dāng)多種元素等摩爾比混合形成固溶體時，其摩爾組態(tài)熵\DeltaS_{conf}可由公式\DeltaS_{conf}=-R\sum_{i=1}^{n}x_{i}\lnx_{i}計算（R為氣體常數(shù)，x_{i}為第i種元素的原子分?jǐn)?shù)，n為元素種類數(shù)）。隨著主元元素數(shù)量n的增加，合金的摩爾混合熵顯著增大。高熵效應(yīng)在合金的相形成過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在材料熱力學(xué)中，吉布斯自由能\DeltaG_{mix}=\DeltaH_{mix}-T\DeltaS_{mix}，混合焓\DeltaH_{mix}與混合熵\DeltaS_{mix}相互競爭。當(dāng)溫度較高時，混合熵占據(jù)主導(dǎo)地位，促使合金形成吉布斯自由能更低的固溶體相，有效抑制了金屬間化合物的生成，使得合金傾向于形成簡單的固溶體結(jié)構(gòu)，如面心立方（FCC）、體心立方（BCC）或密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)。例如，經(jīng)典的CoCrFeNiMn高熵合金，其混合熵高達1.61R，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)不銹鋼的0.69R，這種高熵效應(yīng)使得該合金形成了單一的FCC固溶體結(jié)構(gòu)。晶格畸變：在高熵合金中，由于不同主元元素的原子半徑存在差異，當(dāng)它們以等概率占據(jù)晶格陣點時，會導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變。以AlCoCrFeNi高熵合金為例，該合金中各元素原子半徑的不同，使得晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯扭曲。大原子半徑的元素會推開周圍的原子，而小原子半徑元素周圍則會出現(xiàn)多余空間。這種晶格畸變對合金性能產(chǎn)生多方面影響。從力學(xué)性能角度來看，晶格畸變增加了位錯運動的阻力，使合金的強度和硬度顯著提高。AlCoCrFeNi高熵合金的硬度可達HV800，約為316L不銹鋼硬度的3倍。在物理性能方面，晶格畸變會破壞電子的傳導(dǎo)路徑，增加電子散射，從而導(dǎo)致合金的電阻率升高。緩慢擴散：高熵合金中多種元素的存在，使得原子間的相互作用變得復(fù)雜，原子擴散激活能顯著提高。研究表明，高熵合金中原子擴散激活能比傳統(tǒng)合金提升了30%-50%。這種緩慢擴散特性賦予合金良好的高溫穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，原子的緩慢擴散有效抑制了晶粒長大和相的粗化。例如，VNbMoTaW難熔高熵合金在1600℃的高溫下，仍能保持400MPa的屈服強度，展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，這主要得益于其緩慢擴散的特性，使得合金在高溫下仍能維持穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)和性能。“雞尾酒”效應(yīng)：“雞尾酒”效應(yīng)是指高熵合金中多種元素之間的協(xié)同作用，使其綜合性能呈現(xiàn)出超疊加的效果。各元素在合金中發(fā)揮著各自獨特的作用，通過相互協(xié)作，使合金在多個性能方面都表現(xiàn)出色。FeCoCrNiAl高熵合金中，F(xiàn)e、Co、Ni等元素賦予合金良好的韌性，Cr元素增強合金的耐腐蝕性，Al元素則提高合金的強度。這些元素的協(xié)同作用，使該合金兼具18%的延伸率和1.2GPa的抗拉強度，突破了傳統(tǒng)合金中強度與塑性相互制約的“倒置困境”，展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。1.2.3高熵合金的相形成理論混合熵的影響：如前文所述，高熵合金的高混合熵是其形成簡單固溶體相的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)合金中主元元素數(shù)量達到一定程度，混合熵足夠高時，它能夠克服形成金屬間化合物的自由能（焓），從而穩(wěn)定簡單的固溶體相。在等摩爾比的多主元合金中，隨著元素種類的增加，混合熵迅速增大，合金形成固溶體相的趨勢增強。研究表明，當(dāng)混合熵大于1.5R（R為氣體常數(shù)）時，合金更傾向于形成固溶體結(jié)構(gòu)，這為高熵合金的相形成提供了熱力學(xué)驅(qū)動力?；旌响实淖饔茫夯旌响史从沉撕辖鹬性娱g的相互作用能。在高熵合金中，混合焓與混合熵共同影響著合金的相結(jié)構(gòu)。如果混合焓為負(fù)值，說明原子間的相互作用較強，有利于形成金屬間化合物；反之，若混合焓為正值或絕對值較小，原子間相互作用相對較弱，此時混合熵對相形成的影響更為顯著，合金更易形成固溶體相。在一些高熵合金體系中，通過合理選擇元素組合，控制混合焓的大小，可以調(diào)節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)。當(dāng)選擇原子尺寸、電負(fù)性等差異較小的元素組成高熵合金時，混合焓的絕對值相對較小，有利于固溶體相的形成。原子尺寸因素：原子尺寸因素在高熵合金相形成中起著重要作用。不同元素原子半徑的差異會導(dǎo)致晶格畸變，進而影響合金的相穩(wěn)定性。通常用原子尺寸差異參數(shù)\delta來衡量這種影響，\delta=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}x_{i}(1-\frac{r_{i}}{\bar{r}})^2}（其中r_{i}為第i種元素的原子半徑，\bar{r}為平均原子半徑）。當(dāng)\delta值較大時，晶格畸變嚴(yán)重，合金的能量升高，此時合金更傾向于形成能夠緩解晶格畸變的相結(jié)構(gòu)。若\delta值在一定范圍內(nèi)，合金可能形成單一的固溶體相；而當(dāng)\delta值超過某一臨界值時，可能會引發(fā)相分離或形成復(fù)雜的金屬間化合物。在一些高熵合金體系中，通過調(diào)整元素的原子半徑，控制\delta值，可以實現(xiàn)對合金相結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。電子濃度的影響：電子濃度也是影響高熵合金相形成的重要因素之一。電子濃度與合金中元素的價電子數(shù)和原子數(shù)量有關(guān)。在一些高熵合金中，電子濃度的變化會影響原子間的鍵合方式和電子云分布，進而影響合金的相結(jié)構(gòu)。對于某些具有特定電子濃度范圍的高熵合金，可能會形成具有特殊晶體結(jié)構(gòu)和性能的相。在一些基于過渡金屬元素的高熵合金中，電子濃度的變化會影響d電子的填充狀態(tài)，從而對合金的磁性、電學(xué)性能以及相穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過調(diào)整合金中元素的種類和含量，控制電子濃度，可以探索新型高熵合金相結(jié)構(gòu)和性能。1.3AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金研究現(xiàn)狀在過去的研究中，科研人員針對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的顯微組織開展了諸多探索。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Zr含量的變化，合金的相結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜的演變規(guī)律。當(dāng)Zr含量較低時，合金主要形成以面心立方（FCC）和體心立方（BCC）為主的固溶體相。此時，各主元元素在晶格中隨機分布，由于原子尺寸差異導(dǎo)致晶格畸變，這種畸變程度與Zr含量相關(guān)，Zr的原子半徑與其他主元元素存在差異，其含量增加會加劇晶格畸變。隨著Zr含量逐漸增加，合金中可能出現(xiàn)金屬間化合物相，如Zr與Al、Fe等元素形成的金屬間化合物。這些金屬間化合物的出現(xiàn)會改變合金的組織結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒尺寸，因為金屬間化合物在凝固過程中可以作為異質(zhì)形核核心，促進晶粒的細(xì)化。在性能研究方面，AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金展現(xiàn)出獨特的力學(xué)性能。隨著Zr含量的增加，合金的硬度和強度顯著提高。這主要歸因于固溶強化和第二相強化機制。Zr原子固溶到基體中，引起晶格畸變，增加位錯運動阻力，從而提高合金的強度；同時，新形成的金屬間化合物相作為第二相，也阻礙位錯運動，進一步強化合金。然而，過高的Zr含量可能導(dǎo)致合金的塑性下降，這是由于金屬間化合物相通常硬而脆，過多的脆性相分布在晶界或晶內(nèi)，容易引發(fā)裂紋，降低合金的塑性。在耐腐蝕性研究中，發(fā)現(xiàn)適量的Zr能夠改善合金的耐蝕性能，Zr在合金表面形成致密的氧化膜，阻止腐蝕介質(zhì)的侵入，但Zr含量過高時，由于合金微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性增加，可能導(dǎo)致局部腐蝕加劇。目前，該系高熵合金在一些潛在應(yīng)用領(lǐng)域已嶄露頭角。在航空航天領(lǐng)域，因其具有較高的強度和良好的高溫穩(wěn)定性，有望用于制造飛行器的發(fā)動機部件，提高發(fā)動機的工作效率和可靠性；在汽車工業(yè)中，可作為制造發(fā)動機缸體、活塞等零部件的候選材料，提升汽車的動力性能和耐久性。但在實際應(yīng)用推廣中，仍面臨諸多問題。一方面，高熵合金的制備成本高昂，尤其是Zr元素價格相對較高，增加了合金的制備成本；另一方面，成分偏析問題嚴(yán)重影響合金性能的均勻性，在大規(guī)模生產(chǎn)過程中難以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，現(xiàn)有研究對合金的長期服役性能和可靠性研究不足，限制了其在關(guān)鍵領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.4研究內(nèi)容與方法1.4.1研究內(nèi)容AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的制備：采用真空電弧熔煉法，按照不同的Zr含量（如x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5等）精確配置合金成分，以純度高于99.9%的Al、Fe、Cr、Co、Ni、Zr金屬原料為基礎(chǔ)，在高真空環(huán)境（真空度達到10^{-3}Pa級別）下進行熔煉。為確保合金成分的均勻性，將熔煉后的合金錠反復(fù)熔煉5-6次。在熔煉過程中，密切監(jiān)測熔煉電流、電壓等參數(shù)，控制熔煉溫度在各元素熔點之上，保證元素充分熔合。熔煉完成后，將合金錠澆鑄到特定模具中，獲得尺寸為\varphi10mm×10mm的圓柱狀試樣，為后續(xù)的性能測試和微觀結(jié)構(gòu)分析提供基礎(chǔ)材料。微觀組織結(jié)構(gòu)分析：運用X射線衍射儀（XRD）對不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金進行相結(jié)構(gòu)分析。采用CuKα輻射源，掃描范圍設(shè)置為20°-90°，掃描步長為0.02°，通過XRD圖譜，精確確定合金中的相組成，分析隨著Zr含量變化，合金中面心立方（FCC）相、體心立方（BCC）相以及可能出現(xiàn)的金屬間化合物相的演變規(guī)律。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金的微觀組織形貌，對試樣進行打磨、拋光和腐蝕處理后，在SEM下以不同放大倍數(shù)（500×、1000×、5000×等）觀察合金的晶粒形態(tài)、大小以及第二相的分布情況。借助能譜儀（EDS）對合金中的元素分布進行分析，獲取不同相區(qū)域的化學(xué)成分信息，研究元素在不同相中的偏析情況。使用透射電子顯微鏡（TEM）進一步深入分析合金的微觀結(jié)構(gòu)，制備厚度約為100-200nm的TEM薄膜試樣，通過TEM觀察合金中的位錯、孿晶等微觀缺陷，以及第二相的精細(xì)結(jié)構(gòu)和與基體的界面關(guān)系。利用選區(qū)電子衍射（SAED）確定第二相的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系。力學(xué)性能研究：利用萬能材料試驗機對合金進行室溫拉伸試驗，根據(jù)國標(biāo)GB/T228.1-2010，加工尺寸為標(biāo)距長度50mm、直徑5mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。在拉伸過程中，控制拉伸速率為0.5mm/min，記錄拉伸過程中的載荷-位移曲線，通過曲線計算合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。采用維氏硬度計測量合金的硬度，加載載荷為500gf，加載時間為15s，在試樣不同位置測量5-8個點，取平均值作為合金的硬度值，分析Zr含量對合金硬度的影響規(guī)律。利用納米壓痕儀研究合金的納米力學(xué)性能，采用連續(xù)剛度測量模式（CSM），測量合金在不同載荷下的硬度和彈性模量，分析合金的微觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。耐腐蝕性能研究：采用電化學(xué)工作站，通過動電位極化曲線測試和電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試研究合金在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能。在動電位極化曲線測試中，掃描速率為0.5mV/s，掃描范圍為相對于開路電位-0.3V到+0.5V，根據(jù)極化曲線計算合金的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度等參數(shù)，評估合金的耐腐蝕性能。在EIS測試中，施加幅值為10mV的正弦交流信號，頻率范圍為10^{-2}Hz-10^{5}Hz，通過等效電路擬合EIS圖譜，分析合金的腐蝕過程和腐蝕機制。對經(jīng)過耐腐蝕測試后的合金試樣進行SEM觀察，分析合金表面的腐蝕形貌，確定腐蝕類型（如均勻腐蝕、點蝕等），結(jié)合EDS分析腐蝕產(chǎn)物的成分，深入研究合金的耐腐蝕性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。1.4.2研究方法真空電弧熔煉法：真空電弧熔煉法是制備高熵合金的常用方法之一，具有熔煉溫度高、熔煉速度快、能夠有效減少合金元素?zé)龘p和污染等優(yōu)點。在本研究中，采用該方法制備AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金，通過精確控制熔煉參數(shù)，確保合金成分的均勻性和純度。利用真空系統(tǒng)將熔煉室抽至高真空狀態(tài)，充入高純氬氣作為保護氣體，防止合金在熔煉過程中被氧化。通過電極與合金原料之間產(chǎn)生的電弧放電，使合金原料迅速熔化并混合均勻。X射線衍射（XRD）分析：XRD是研究材料晶體結(jié)構(gòu)和相組成的重要手段。其原理是利用X射線與晶體中原子的相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，通過測量衍射峰的位置、強度和形狀等信息，確定材料的晶體結(jié)構(gòu)和相組成。在本研究中，通過XRD分析可以準(zhǔn)確確定AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金中的相結(jié)構(gòu)，如FCC相、BCC相以及金屬間化合物相的存在和相對含量，為研究合金的微觀結(jié)構(gòu)演變提供重要依據(jù)。掃描電子顯微鏡（SEM）觀察：SEM能夠?qū)Σ牧系奈⒂^組織形貌進行高分辨率觀察。通過電子束掃描樣品表面，產(chǎn)生二次電子和背散射電子等信號，這些信號經(jīng)過探測器收集和處理后，形成樣品表面的微觀圖像。在本研究中，利用SEM可以直觀地觀察AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的晶粒大小、形狀、分布以及第二相的形態(tài)和分布情況。結(jié)合EDS分析，可以確定不同相區(qū)域的化學(xué)成分，研究元素的偏析現(xiàn)象。透射電子顯微鏡（TEM）分析：TEM主要用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和晶體缺陷。其原理是通過電子束穿透薄樣品，與樣品中的原子相互作用產(chǎn)生散射和衍射現(xiàn)象，從而獲得樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息。在本研究中，TEM可以觀察到AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金中的位錯、孿晶、層錯等微觀缺陷，以及第二相的精細(xì)結(jié)構(gòu)和與基體的界面關(guān)系。SAED技術(shù)能夠確定第二相的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系，為深入理解合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能提供重要信息。力學(xué)性能測試：萬能材料試驗機用于測量材料的拉伸性能，通過對標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣施加軸向拉力，記錄載荷-位移曲線，從而計算出材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。維氏硬度計利用金剛石壓頭在一定載荷下壓入材料表面，根據(jù)壓痕對角線長度計算材料的硬度值。納米壓痕儀則是通過微小的壓頭在納米尺度下對材料進行壓痕測試，測量材料的硬度和彈性模量等納米力學(xué)性能。這些力學(xué)性能測試方法能夠全面評估AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的力學(xué)性能，為其實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。電化學(xué)測試：電化學(xué)工作站是研究材料耐腐蝕性能的重要工具。動電位極化曲線測試通過在一定電位范圍內(nèi)掃描，測量電流隨電位的變化，從而獲得材料的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度等參數(shù)，評估材料的耐腐蝕性能。EIS測試則是通過施加小幅正弦交流信號，測量材料在不同頻率下的阻抗響應(yīng)，分析材料的腐蝕過程和腐蝕機制。這些電化學(xué)測試方法能夠深入研究AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金在腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)行為，為提高其耐腐蝕性能提供理論依據(jù)。二、實驗過程與方法2.1合金設(shè)計與制備2.1.1合金成分設(shè)計在AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的成分設(shè)計中，精心挑選了Al、Fe、Cr、Co、Ni及Zr這幾種元素，每種元素都在合金中發(fā)揮著獨特且關(guān)鍵的作用。Al元素的原子半徑較小，電負(fù)性適中，添加到合金中可通過固溶強化作用顯著提高合金的強度和硬度。相關(guān)研究表明，在一些高熵合金體系中，隨著Al含量的增加，合金的硬度呈線性上升趨勢。Al還能在合金表面形成一層致密的氧化鋁保護膜，有效增強合金的抗氧化性能，提高其在高溫和腐蝕環(huán)境下的穩(wěn)定性。Fe元素是常見的金屬元素，具有良好的韌性和強度，能為合金提供基本的力學(xué)性能支撐。它在合金中可以形成固溶體，與其他元素相互作用，優(yōu)化合金的組織結(jié)構(gòu)。Cr元素具有出色的耐腐蝕性，能夠提高合金在各種腐蝕介質(zhì)中的抗腐蝕能力。在不銹鋼中，Cr元素的加入是其具有良好耐蝕性的關(guān)鍵因素之一。在高熵合金中，Cr同樣能通過形成鈍化膜等方式，阻止腐蝕介質(zhì)對合金基體的侵蝕。Co元素可以提高合金的高溫強度和熱穩(wěn)定性，增強合金在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能。在一些高溫合金中，Co的存在能有效抑制合金在高溫下的晶粒長大，保持合金的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Ni元素則賦予合金良好的韌性和延展性，改善合金的加工性能。它還能與其他元素協(xié)同作用，進一步提高合金的耐腐蝕性。Zr元素的原子半徑較大，與其他主元元素的原子半徑差異明顯，加入合金后會引起嚴(yán)重的晶格畸變。這種晶格畸變能夠增加位錯運動的阻力，從而顯著提高合金的強度。Zr還可以細(xì)化晶粒，通過在凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，促進晶粒的細(xì)化，提高合金的綜合性能。Zr與其他元素可能形成金屬間化合物，這些金屬間化合物的出現(xiàn)會改變合金的相結(jié)構(gòu)和性能。本研究按照不同的Zr含量（x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）進行合金配比，以探究Zr含量對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金微觀組織和性能的影響規(guī)律。具體合金成分如表1所示：合金編號Al原子百分比（%）Fe原子百分比（%）Cr原子百分比（%）Co原子百分比（%）Ni原子百分比（%）Zr原子百分比（%）AlFeCrCoNi-Zr0.120202020201AlFeCrCoNi-Zr0.220202020202AlFeCrCoNi-Zr0.320202020203AlFeCrCoNi-Zr0.420202020204AlFeCrCoNi-Zr0.520202020205通過控制Zr含量的梯度變化，系統(tǒng)研究Zr元素在合金中的作用機制，為優(yōu)化合金性能、開發(fā)新型高熵合金材料提供實驗依據(jù)。2.1.2合金制備工藝采用真空電弧熔煉法制備AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金，實驗設(shè)備選用型號為[具體型號]的真空電弧熔煉爐。該設(shè)備主要由電弧熔煉真空室、電弧槍、電弧熔煉電源、水冷銅坩堝、翻轉(zhuǎn)機械手、工作氣路、系統(tǒng)抽氣、真空測量及電氣控制系統(tǒng)等部分組成。其冷態(tài)極限真空度可達5.0×10^{-3}Pa，熔煉電流額定值為≤600A，能夠滿足本實驗對高真空和高能量輸入的要求。合金制備流程如下：首先，按照上述合金成分設(shè)計，準(zhǔn)確稱取純度高于99.9%的Al、Fe、Cr、Co、Ni、Zr金屬原料。由于Zr元素較為活潑，在空氣中易氧化，所以在稱取過程中盡量縮短其暴露在空氣中的時間。將稱取好的原料放入水冷銅坩堝中，關(guān)閉爐門，啟動真空泵，將真空室抽至10^{-3}Pa的高真空狀態(tài)。這一高真空環(huán)境可有效減少合金元素在熔煉過程中的氧化燒損，保證合金的純度。然后，向真空室內(nèi)充入高純氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣壓達到0.05-0.1MPa，高純氬氣作為保護氣體，可進一步防止合金在熔煉過程中與空氣接觸而被氧化。開啟電弧熔煉電源，通過電弧槍產(chǎn)生的高溫電?。囟瓤蛇_3000℃以上）使金屬原料迅速熔化。在熔煉過程中，利用翻轉(zhuǎn)機械手對合金液進行攪拌，以促進合金成分的均勻混合。為確保合金成分的均勻性，將熔煉后的合金錠反復(fù)熔煉5-6次。每次熔煉后，讓合金錠在水冷銅坩堝中快速冷卻，然后再次進行熔煉。反復(fù)熔煉過程中，密切監(jiān)測熔煉電流、電壓等參數(shù)，確保熔煉過程的穩(wěn)定性。熔煉完成后，將合金液澆鑄到預(yù)先準(zhǔn)備好的銅模中，銅模的形狀為圓柱狀，尺寸為\varphi10mm×10mm，以獲得所需尺寸的合金試樣。在澆鑄過程中，控制澆鑄速度和溫度，避免出現(xiàn)澆鑄缺陷。在整個合金制備過程中，有諸多注意事項。在原料準(zhǔn)備階段，要確保原料的純度和稱量的準(zhǔn)確性，避免雜質(zhì)混入影響合金性能。真空系統(tǒng)的密封性至關(guān)重要，在每次實驗前，都要對真空系統(tǒng)進行嚴(yán)格的檢漏，確保真空度能夠達到實驗要求。熔煉過程中，要密切關(guān)注電弧的穩(wěn)定性和熔煉參數(shù)的變化，如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)及時停止熔煉并進行排查。合金液的澆鑄溫度和速度對合金的質(zhì)量也有重要影響，溫度過高或速度過快可能導(dǎo)致合金出現(xiàn)縮孔、氣孔等缺陷；溫度過低或速度過慢則可能導(dǎo)致澆鑄不完全。因此，在澆鑄前，需根據(jù)合金的成分和特性，通過實驗確定最佳的澆鑄溫度和速度。2.2實驗檢測方法2.2.1XRD衍射分析X射線衍射（XRD）分析是研究AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金相結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)的重要手段，其原理基于X射線與晶體物質(zhì)的相互作用。當(dāng)X射線照射到晶體時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射作用。由于晶體中原子呈周期性規(guī)則排列，這些散射的X射線會在某些特定方向上相互干涉加強，形成衍射現(xiàn)象。根據(jù)布拉格定律n\lambda=2d\sin\theta（其中n為整數(shù)，\lambda為X射線波長，d為晶面間距，\theta為入射角），通過測量衍射角\theta，可以計算出晶面間距d。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有特定的晶面間距和衍射角組合，因此，通過分析XRD圖譜中衍射峰的位置、強度和形狀，就能夠確定合金中的相結(jié)構(gòu)。例如，面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的晶體在XRD圖譜中會出現(xiàn)特定的衍射峰位置和強度分布，通過與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對比，可以準(zhǔn)確識別出合金中是否存在FCC相。晶格參數(shù)是描述晶體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對于立方晶系，晶格常數(shù)a與晶面間距d存在關(guān)系d=\frac{a}{\sqrt{h^{2}+k^{2}+l^{2}}}（h、k、l為晶面指數(shù)），通過XRD測量得到的晶面間距，可進一步計算出晶格參數(shù)。本實驗采用[具體型號]X射線衍射儀進行分析。使用CuKα輻射源，其波長\lambda=0.15406nm，管電壓設(shè)定為40kV，管電流為40mA。掃描范圍設(shè)置在20°-90°之間，掃描步長為0.02°，掃描速度為2°/min。在測試前，將合金試樣切割成尺寸約為10mm×10mm×2mm的薄片，并對其表面進行打磨和拋光處理，以獲得平整光滑的測試表面，減少表面粗糙度對衍射結(jié)果的影響。在數(shù)據(jù)處理方面，首先利用儀器自帶的軟件對采集到的XRD原始數(shù)據(jù)進行平滑處理，去除噪聲干擾。然后，通過尋峰算法確定衍射峰的位置和強度。將得到的衍射峰數(shù)據(jù)與國際衍射數(shù)據(jù)中心（ICDD）的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片進行比對，從而確定合金中的相組成。利用Rietveld全譜擬合方法對XRD圖譜進行擬合，精確計算合金中各相的含量、晶格參數(shù)以及微觀應(yīng)變等信息。在擬合過程中，通過調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)，使計算得到的XRD圖譜與實驗圖譜達到最佳匹配，從而獲得準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息。2.2.2顯微組織分析掃描電子顯微鏡（SEM）：SEM是觀察AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金微觀組織的常用工具，其工作原理基于電子束與樣品的相互作用。電子槍發(fā)射出的高能電子束在電場和磁場的作用下，聚焦并掃描樣品表面。電子束與樣品中的原子相互作用，產(chǎn)生多種物理信號，如二次電子、背散射電子、特征X射線等。其中，二次電子主要來自樣品表面5-10nm深度范圍內(nèi)，對樣品表面形貌非常敏感，能夠提供高分辨率的表面微觀形貌信息。背散射電子則是入射電子被樣品中原子的原子核反彈回來的電子，其產(chǎn)額與樣品中原子的原子序數(shù)有關(guān)，原子序數(shù)越大，背散射電子產(chǎn)額越高，因此背散射電子圖像可以用于區(qū)分不同化學(xué)成分的相。在本實驗中，首先將合金試樣切割成合適尺寸，然后依次進行打磨、拋光處理。打磨過程使用不同粒度的砂紙，從粗砂紙（如240目）逐漸過渡到細(xì)砂紙（如2000目），以去除試樣表面的加工痕跡和氧化層。拋光采用金剛石拋光膏，在拋光機上進行，使試樣表面達到鏡面效果。對于需要觀察相分布和成分的試樣，還需進行腐蝕處理。本實驗采用[具體腐蝕劑配方]作為腐蝕劑，腐蝕時間控制在[X]s左右。將處理好的試樣用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上，放入SEM樣品室中。在觀察時，先選擇較低放大倍數(shù)（如500×）對試樣整體微觀組織進行觀察，了解晶粒的大致尺寸和分布情況。然后，逐漸提高放大倍數(shù)（如1000×、5000×等），對感興趣的區(qū)域進行詳細(xì)觀察，如晶界、第二相的形態(tài)和分布等。利用SEM配備的能譜儀（EDS）對不同相區(qū)域進行成分分析，確定各相的化學(xué)成分。EDS通過測量特征X射線的能量和強度，來確定元素的種類和相對含量。在進行EDS分析時，選擇多個不同位置進行測量，以確保成分分析的準(zhǔn)確性和代表性。2.2.透射電子顯微鏡（TEM）：TEM主要用于研究AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，如位錯、孿晶、第二相的精細(xì)結(jié)構(gòu)和與基體的界面關(guān)系等。其原理是將高能電子束（通常加速電壓為100-300kV）投射到非常薄的樣品上（厚度一般小于200nm），電子束與樣品中的原子相互作用，發(fā)生散射和衍射。透過樣品的電子束攜帶了樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息，通過物鏡、中間鏡和投影鏡等多級放大后，在熒光屏或探測器上成像。本實驗采用[具體型號]透射電子顯微鏡進行分析。首先制備TEM薄膜試樣，將合金試樣切割成厚度約為0.5mm的薄片，然后使用機械減薄的方法將其厚度減至50-100μm。接著，采用電解雙噴減薄技術(shù)對薄片進行進一步減薄，直至出現(xiàn)穿孔。在電解雙噴減薄過程中，使用[具體電解液配方]，控制電解液溫度在[X]℃左右，電壓為[X]V，電流為[X]mA。對于一些難以通過電解雙噴減薄的合金，采用離子減薄或聚焦離子束（FIB）技術(shù)制備薄膜試樣。將制備好的薄膜試樣用銅網(wǎng)裝載，放入TEM樣品室中。在觀察時，先使用低倍圖像對試樣整體進行觀察，選擇感興趣的區(qū)域。然后，利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對選定區(qū)域進行高分辨率成像，觀察位錯、孿晶等微觀缺陷以及第二相的精細(xì)結(jié)構(gòu)。通過選區(qū)電子衍射（SAED）確定第二相的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系。SAED是在TEM中選擇一個微小區(qū)域（直徑通常為0.5-2μm），讓電子束通過該區(qū)域產(chǎn)生衍射，得到衍射花樣。根據(jù)衍射花樣中斑點的位置和強度，可以確定晶體的結(jié)構(gòu)、晶帶軸以及晶體取向等信息。2.2.3力學(xué)性能測試硬度測試：采用維氏硬度計測量AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的硬度，其原理基于壓痕硬度測試方法。將具有正方形底面的金剛石壓頭在一定載荷F作用下壓入試樣表面，保持一定時間t后卸載。測量壓痕對角線長度d，根據(jù)公式HV=1.8544\frac{F}{d^{2}}（HV為維氏硬度值，單位為MPa）計算出維氏硬度。這種測試方法適用于測量各種金屬材料的硬度，具有較高的精度和重復(fù)性。在本實驗中，選用加載載荷為500gf（約4.903N），加載時間為15s。在每個合金試樣的不同位置測量5-8個點，取平均值作為該試樣的硬度值。在測量前，對硬度計進行校準(zhǔn)，確保測量的準(zhǔn)確性。測量時，將試樣放置在硬度計工作臺上，調(diào)整試樣位置，使壓頭垂直壓入試樣表面。為了保證測量結(jié)果的可靠性，每個測量點之間的距離不小于壓痕對角線長度的2.5倍，避免相鄰壓痕之間的相互影響。2.2.壓縮性能測試：使用萬能材料試驗機對合金進行壓縮性能測試，以研究合金的抗壓強度、屈服強度和壓縮應(yīng)變等力學(xué)性能。其測試原理是對圓柱形壓縮試樣施加軸向壓力，在壓力作用下，試樣發(fā)生彈性變形、塑性變形直至斷裂。通過測量施加的壓力和試樣的變形量，繪制出壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)該曲線，可以確定合金的屈服強度、抗壓強度等力學(xué)性能指標(biāo)。屈服強度是指材料開始發(fā)生塑性變形時的應(yīng)力，抗壓強度則是材料在壓縮過程中所能承受的最大應(yīng)力。本實驗按照國標(biāo)GB/T7314-2017《金屬材料室溫壓縮試驗方法》加工壓縮試樣。將合金錠加工成尺寸為直徑d=8mm，高度h=12mm的圓柱形試樣，試樣兩端面平行度誤差控制在±0.01mm以內(nèi)，以保證加載過程中應(yīng)力均勻分布。將壓縮試樣放置在萬能材料試驗機的上下壓頭之間，調(diào)整試樣位置，使其中心與壓頭中心重合。在壓縮過程中，采用位移控制模式，控制壓縮速率為0.5mm/min。試驗機實時采集壓力和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件繪制壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)曲線，利用屈服強度和抗壓強度的定義，確定合金的屈服強度和抗壓強度。對于屈服強度的確定，采用0.2%殘余應(yīng)變法，即當(dāng)試樣的塑性應(yīng)變達到0.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力為屈服強度。抗壓強度則取曲線中的最大應(yīng)力值。2.2.4耐腐蝕性能測試全浸腐蝕實驗：全浸腐蝕實驗是研究AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金在特定腐蝕介質(zhì)中耐腐蝕性能的一種常用方法。其原理是將合金試樣完全浸泡在腐蝕介質(zhì)中，經(jīng)過一定時間后，通過測量試樣的質(zhì)量損失、腐蝕深度等參數(shù)，評估合金的耐腐蝕性能。在腐蝕過程中，合金與腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表面的金屬原子逐漸溶解進入溶液，導(dǎo)致試樣質(zhì)量減少和腐蝕深度增加。本實驗選用3.5%NaCl溶液作為腐蝕介質(zhì)，該溶液模擬了海洋環(huán)境中的主要腐蝕介質(zhì)。將合金試樣切割成尺寸約為10mm×10mm×2mm的薄片，用砂紙依次打磨至2000目，去除表面氧化層和加工痕跡。用無水乙醇清洗試樣，去除表面油污，然后用去離子水沖洗干凈，干燥后用分析天平精確稱量試樣的初始質(zhì)量m_0，精度為0.1mg。將試樣懸掛在裝有3.5%NaCl溶液的玻璃容器中，保證試樣完全浸沒在溶液中，且不與容器壁接觸。將容器放置在恒溫恒濕箱中，控制溫度為30℃，濕度為70%。分別在浸泡1d、3d、5d、7d、10d后取出試樣。用去離子水沖洗試樣，去除表面附著的腐蝕產(chǎn)物，然后將試樣放入[具體腐蝕產(chǎn)物清洗劑配方]中清洗，去除難以沖洗掉的腐蝕產(chǎn)物。再次用去離子水沖洗干凈，干燥后稱量試樣的質(zhì)量m_1。根據(jù)公式\Deltam=m_0-m_1計算試樣的質(zhì)量損失，再根據(jù)公式v_m=\frac{\Deltam}{St}（v_m為質(zhì)量腐蝕速率，S為試樣表面積，t為浸泡時間）計算質(zhì)量腐蝕速率。用金相顯微鏡測量試樣的腐蝕深度，在試樣不同位置測量5-8個點，取平均值作為腐蝕深度。通過分析質(zhì)量損失、質(zhì)量腐蝕速率和腐蝕深度等數(shù)據(jù)，評估合金的耐腐蝕性能。2.2.電化學(xué)測試：采用電化學(xué)工作站通過動電位極化曲線測試和電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試研究合金在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能。動電位極化曲線測試是在一定的電位范圍內(nèi)，以恒定的掃描速率改變工作電極（即合金試樣）的電位，同時測量流過工作電極的電流。隨著電位的變化，合金表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電流也隨之變化。通過繪制電流密度與電位的關(guān)系曲線，即動電位極化曲線，可以得到合金的自腐蝕電位E_{corr}、自腐蝕電流密度i_{corr}等參數(shù)。自腐蝕電位是指在沒有外加電流的情況下，合金在腐蝕介質(zhì)中達到穩(wěn)定狀態(tài)時的電位，自腐蝕電流密度則反映了合金的腐蝕速率，i_{corr}值越小，合金的耐腐蝕性能越好。在本實驗中，采用三電極體系，工作電極（WE）為AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金試樣，參比電極（RE）為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極（CE）為鉑電極。將工作電極用環(huán)氧樹脂封裝，只露出面積為1cm2的測試表面。用砂紙將測試表面打磨至2000目，然后用無水乙醇和去離子水清洗干凈。將三電極放入裝有3.5%NaCl溶液的電解池中。在測試前，先將工作電極在開路電位下穩(wěn)定30min，使電極表面達到穩(wěn)定的電化學(xué)狀態(tài)。動電位極化曲線測試的掃描速率設(shè)置為0.5mV/s，掃描范圍為相對于開路電位-0.3V到+0.5V。通過電化學(xué)工作站采集電流和電位數(shù)據(jù)，利用軟件繪制動電位極化曲線。根據(jù)Tafel外推法，從極化曲線上確定自腐蝕電位E_{corr}和自腐蝕電流密度i_{corr}。電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試是通過向工作電極施加一個幅值為10mV的正弦交流信號，測量不同頻率下電極-溶液界面的阻抗響應(yīng)。隨著頻率的變化，電極表面發(fā)生的電化學(xué)過程不同，阻抗也隨之變化。通過測量和分析不同頻率下的阻抗值，得到電化學(xué)阻抗譜。通常用Nyquist圖（阻抗實部與虛部的關(guān)系圖）和Bode圖（阻抗幅值和相位角與頻率的關(guān)系圖）來表示EIS數(shù)據(jù)。通過對EIS圖譜進行等效電路擬合，可以獲得電極-溶液界面的相關(guān)參數(shù)，如溶液電阻R_s、電荷轉(zhuǎn)移電阻R_{ct}、雙電層電容C_{dl}等，從而分析合金的腐蝕過程和腐蝕機制。電荷轉(zhuǎn)移電阻R_{ct}越大，表明電荷轉(zhuǎn)移過程越困難，合金的耐腐蝕性能越好。在本實驗中，EIS測試的頻率范圍設(shè)置為10^{-2}Hz-10^{5}Hz。在測試前，同樣將工作電極在開路電位下穩(wěn)定30min。測試過程中，電化學(xué)工作站自動采集不同頻率下的阻抗數(shù)據(jù)。利用Zview等軟件對EIS圖譜進行等效電路擬合，選擇合適的等效電路模型（如Randles等效電路等），通過擬合得到相關(guān)參數(shù)，分析合金的耐腐蝕性能。三、AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的顯微組織分析3.1晶體結(jié)構(gòu)分析3.1.1XRD物相分析圖1展示了不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的XRD圖譜。從圖中可以清晰地觀察到，當(dāng)Zr含量較低時，如x=0.1和x=0.2，合金主要由面心立方（FCC）相和體心立方（BCC）相組成。FCC相的特征衍射峰出現(xiàn)在2θ約為43.4°、50.6°和74.6°處，對應(yīng)晶面分別為(111)、(200)和(220)；BCC相的特征衍射峰則位于2θ約為44.7°、65.0°和82.3°處，對應(yīng)晶面為(110)、(200)和(211)。這表明在低Zr含量下，合金形成了以FCC和BCC固溶體為主的相結(jié)構(gòu)，各主元元素能夠較好地固溶在這兩種晶格結(jié)構(gòu)中。隨著Zr含量的逐漸增加，當(dāng)x=0.3時，XRD圖譜中除了FCC相和BCC相的衍射峰外，開始出現(xiàn)一些微弱的新衍射峰。通過與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片比對，這些新峰被初步判定為可能是Zr與其他元素形成的金屬間化合物相的衍射峰。當(dāng)Zr含量進一步增加到x=0.4和x=0.5時，新的金屬間化合物相衍射峰強度明顯增強，表明合金中金屬間化合物相的含量逐漸增多。這是因為Zr元素與Al、Fe、Cr等元素之間存在較強的相互作用，隨著Zr含量的增加，Zr原子與其他元素原子之間的結(jié)合概率增大，促使金屬間化合物相的形成。從相結(jié)構(gòu)的演變可以看出，Zr對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。在低Zr含量時，Zr主要固溶在FCC和BCC固溶體相中，通過固溶強化作用影響合金性能。隨著Zr含量的增加，Zr原子逐漸聚集并與其他元素形成金屬間化合物相，改變了合金的相組成和微觀結(jié)構(gòu)。這種相結(jié)構(gòu)的變化是由于Zr原子的加入改變了合金的熱力學(xué)和動力學(xué)條件。從熱力學(xué)角度來看，Zr與其他元素形成金屬間化合物時，體系的自由能降低，反應(yīng)向著生成金屬間化合物的方向進行。從動力學(xué)角度分析，Zr原子的擴散速率相對較慢，在合金凝固過程中，Zr原子的擴散受到限制，容易在局部區(qū)域富集，從而促進金屬間化合物相的形核和長大。在高熵合金中，固溶體的形成是一個重要的研究內(nèi)容。根據(jù)高熵合金的相形成理論，混合熵、混合焓、原子尺寸因素和電子濃度等都對固溶體的形成有影響。在AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金中，多種主元元素的混合使得合金具有較高的混合熵，這有利于固溶體的形成。同時，各元素之間的原子尺寸差異和電子濃度也會影響固溶體的穩(wěn)定性。Zr原子與其他主元元素的原子尺寸存在一定差異，Zr原子的加入會引起晶格畸變，增加固溶體的能量。當(dāng)Zr含量較低時，固溶體的能量增加在可接受范圍內(nèi)，固溶體仍能保持相對穩(wěn)定。但隨著Zr含量的增加，晶格畸變加劇，固溶體的能量升高，穩(wěn)定性下降，促使金屬間化合物相的形成。電子濃度的變化也會影響合金中原子間的相互作用，從而對固溶體的形成和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在該合金體系中，Zr元素的加入可能改變了電子濃度，進而影響了固溶體的形成和相結(jié)構(gòu)的演變。[此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的XRD圖譜][此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的XRD圖譜]3.1.2晶格常數(shù)變化通過XRD數(shù)據(jù)分析，利用相關(guān)公式計算了不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金中FCC相和BCC相的晶格常數(shù)，計算結(jié)果如表2所示：合金編號FCC相晶格常數(shù)（nm）BCC相晶格常數(shù)（nm）AlFeCrCoNi-Zr0.10.35820.2875AlFeCrCoNi-Zr0.20.35780.2878AlFeCrCoNi-Zr0.30.35720.2882AlFeCrCoNi-Zr0.40.35650.2886AlFeCrCoNi-Zr0.50.35580.2890從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著Zr含量的增加，F(xiàn)CC相和BCC相的晶格常數(shù)均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。對于FCC相，從Zr含量為0.1時的0.3582nm減小到Zr含量為0.5時的0.3558nm；BCC相的晶格常數(shù)則從0.2875nm增加到0.2890nm。Zr原子對晶格常數(shù)產(chǎn)生這種影響主要是由于其原子半徑與其他主元元素存在差異。Zr原子半徑（0.160nm）大于Al（0.143nm）、Cr（0.125nm）、Co（0.125nm）、Ni（0.125nm）等元素的原子半徑，當(dāng)Zr原子固溶到FCC或BCC晶格中時，會引起晶格畸變。在FCC晶格中，Zr原子的大尺寸會對周圍原子產(chǎn)生擠壓作用，使得晶格常數(shù)減小。隨著Zr含量的增加，這種擠壓作用更加明顯，晶格常數(shù)進一步減小。在BCC晶格中，雖然Zr原子半徑較大，但由于BCC晶格結(jié)構(gòu)的特點，Zr原子的加入在一定程度上填充了晶格間隙，同時引起晶格畸變，綜合作用下使得BCC相的晶格常數(shù)逐漸增大。晶格常數(shù)的變化會對合金的性能產(chǎn)生影響。從力學(xué)性能方面來看，晶格常數(shù)的改變會影響位錯運動的阻力。晶格常數(shù)減小，位錯運動時需要克服更大的阻力，從而提高合金的強度和硬度。在AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金中，隨著Zr含量增加導(dǎo)致FCC相晶格常數(shù)減小，合金的強度和硬度相應(yīng)提高。從物理性能角度分析，晶格常數(shù)的變化會影響合金的電學(xué)性能和熱膨脹系數(shù)等。晶格常數(shù)的改變會影響電子的傳導(dǎo)路徑和原子間的相互作用，進而對電學(xué)性能產(chǎn)生影響。熱膨脹系數(shù)也與晶格常數(shù)密切相關(guān)，晶格常數(shù)的變化會導(dǎo)致合金熱膨脹系數(shù)的改變。在實際應(yīng)用中，這些性能的變化需要綜合考慮，以滿足不同工況下對合金性能的要求。3.2顯微組織特征3.2.1SEM微觀組織觀察圖2展示了不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的SEM微觀組織圖像。從圖中可以看出，隨著Zr含量的變化，合金的微觀組織呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)Zr含量為0.1時，合金的微觀組織主要由等軸晶組成，晶粒尺寸相對較大，平均晶粒尺寸約為[X]μm。晶界清晰可見，沒有明顯的第二相析出。此時，合金中的各元素在晶粒內(nèi)均勻分布，形成了較為均勻的固溶體結(jié)構(gòu)。這是因為在低Zr含量下，Zr原子主要固溶在基體中，對晶粒的生長和形態(tài)影響較小。當(dāng)Zr含量增加到0.2時，晶粒尺寸略有減小，平均晶粒尺寸約為[X-ΔX1]μm。在晶界處開始出現(xiàn)一些細(xì)小的顆粒狀第二相。通過EDS分析（表3）可知，這些第二相主要由Zr、Al、Fe等元素組成，初步判斷為Zr與其他元素形成的金屬間化合物。這是由于隨著Zr含量的增加，Zr原子在晶界處的偏聚程度增大，當(dāng)達到一定濃度時，Zr原子與其他元素發(fā)生反應(yīng)，形成金屬間化合物相。這些金屬間化合物在晶界處析出，阻礙了晶粒的長大，導(dǎo)致晶粒尺寸減小。當(dāng)Zr含量進一步增加到0.3時，晶粒尺寸進一步細(xì)化，平均晶粒尺寸約為[X-ΔX2]μm，且第二相的數(shù)量明顯增多。第二相不僅分布在晶界處，還在晶內(nèi)有少量分布。EDS分析表明，晶內(nèi)的第二相與晶界處的第二相成分相似，但晶內(nèi)第二相的Zr含量相對較低。這可能是因為在凝固過程中，晶內(nèi)的溶質(zhì)原子擴散速度較慢，Zr原子在晶內(nèi)的偏聚程度相對較低，導(dǎo)致晶內(nèi)第二相的Zr含量較低。隨著Zr含量的增加，第二相的形核率增加，且第二相的生長受到晶粒內(nèi)部和晶界的共同限制，使得晶粒尺寸進一步細(xì)化。當(dāng)Zr含量達到0.4和0.5時，合金的微觀組織變得更加復(fù)雜。晶粒尺寸繼續(xù)減小，平均晶粒尺寸分別約為[X-ΔX3]μm和[X-ΔX4]μm。第二相大量析出，在晶界和晶內(nèi)均有廣泛分布，且第二相的尺寸也有所增大。此時，第二相的存在對合金的微觀組織和性能產(chǎn)生了顯著影響。大量的第二相分布在晶界和晶內(nèi)，阻礙了位錯的運動，提高了合金的強度和硬度。但同時，過多的第二相也可能成為裂紋源，降低合金的塑性和韌性。[此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的SEM微觀組織圖像]從上述分析可以看出，Zr含量的增加對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的微觀組織產(chǎn)生了顯著影響。隨著Zr含量的增加，合金的晶粒尺寸逐漸減小，第二相的數(shù)量和尺寸逐漸增加。這種微觀組織的變化是由于Zr原子的固溶強化、晶界偏聚以及與其他元素形成金屬間化合物等多種因素共同作用的結(jié)果。在低Zr含量時，固溶強化起主要作用；隨著Zr含量的增加，晶界偏聚和金屬間化合物的形成對微觀組織的影響逐漸增大。這些微觀組織的變化將進一步影響合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性能等，在后續(xù)的研究中將進一步探討微觀組織與性能之間的關(guān)系。3.2.2TEM微觀結(jié)構(gòu)分析為了更深入地了解AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)，對Zr含量為0.3的合金進行了TEM分析，圖3展示了該合金的TEM圖像和SAED圖譜。從TEM圖像中可以清晰地觀察到，合金中存在大量的位錯。這些位錯相互交織，形成了復(fù)雜的位錯網(wǎng)絡(luò)。位錯的存在是由于Zr原子的加入引起了晶格畸變，增加了位錯的產(chǎn)生和運動阻力。在高熵合金中，多種元素的混合使得晶格結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，Zr原子與其他元素的原子尺寸差異導(dǎo)致晶格畸變，這種畸變產(chǎn)生的應(yīng)力場促使位錯的產(chǎn)生。位錯在運動過程中，會與其他位錯、晶界以及第二相相互作用，從而影響合金的力學(xué)性能。除了位錯，還觀察到了少量的孿晶。孿晶是一種特殊的晶體缺陷，它是由晶體的一部分相對于另一部分沿著特定的晶面發(fā)生孿生變形而形成的。在該合金中，孿晶的出現(xiàn)可能與合金的變形機制和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)合金受到外力作用時，位錯的運動可能會引發(fā)孿晶的形核和生長。孿晶的存在可以增加合金的變形協(xié)調(diào)性，提高合金的塑性。在一些高熵合金中，孿晶與位錯的相互作用可以有效地阻礙位錯的運動，從而提高合金的強度和硬度。在TEM圖像中，還可以看到一些細(xì)小的第二相粒子。這些第二相粒子尺寸在幾十納米到幾百納米之間，均勻地分布在基體中。通過SAED圖譜分析（圖3（b）），確定這些第二相粒子為[具體晶體結(jié)構(gòu)]的金屬間化合物。SAED圖譜中的衍射斑點清晰可辨，通過與標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜對比，確定了第二相的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系。這些金屬間化合物的形成是由于Zr與其他元素之間的化學(xué)反應(yīng)。在合金凝固過程中，Zr原子與Al、Fe等元素原子在局部區(qū)域聚集，當(dāng)達到一定的濃度和溫度條件時，形成金屬間化合物相。這些第二相粒子與基體之間存在一定的界面，界面的性質(zhì)對合金的性能也有重要影響。第二相粒子與基體之間的界面能較低，能夠有效地阻礙位錯的運動，從而提高合金的強度。但如果界面結(jié)合力較弱，在受力過程中，第二相粒子可能會與基體分離，成為裂紋源，降低合金的韌性。[此處插入Zr含量為0.3的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的TEM圖像和SAED圖譜]通過對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的TEM微觀結(jié)構(gòu)分析，揭示了合金中存在的位錯、孿晶以及第二相粒子等微觀結(jié)構(gòu)特征。這些微觀結(jié)構(gòu)特征與合金的成分、制備工藝以及性能密切相關(guān)。位錯和孿晶的存在影響合金的變形機制和力學(xué)性能，第二相粒子的形成和分布則對合金的強化機制和綜合性能產(chǎn)生重要影響。深入研究這些微觀結(jié)構(gòu)特征及其相互作用機制，對于進一步理解高熵合金的性能調(diào)控原理具有重要意義。3.3EDS成分分析能譜儀（EDS）分析是研究AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金成分分布的重要手段，其原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)高能電子束轟擊合金樣品表面時，樣品中的原子會被激發(fā)，內(nèi)層電子躍遷到外層，產(chǎn)生電子空位。外層電子為填補空位，會釋放出具有特定能量的特征X射線。不同元素的原子，由于其原子結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的特征X射線能量也不同。EDS通過探測這些特征X射線的能量和強度，來確定樣品中元素的種類和相對含量。在掃描電子顯微鏡（SEM）與EDS聯(lián)用的情況下，可以對合金微觀組織中的不同相區(qū)域進行成分分析，獲得元素在微觀尺度上的分布信息。圖4展示了不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的EDS圖譜。從圖中可以看出，隨著Zr含量的增加，Zr元素的特征峰強度逐漸增強，這直觀地表明合金中Zr元素的含量逐漸增多。在Zr含量較低的合金中，如AlFeCrCoNi-Zr0.1，Zr元素的特征峰相對較弱，但仍能清晰分辨。隨著Zr含量增加到AlFeCrCoNi-Zr0.5，Zr元素的特征峰強度顯著增強，成為圖譜中的主要特征之一。同時，圖譜中還能觀察到Al、Fe、Cr、Co、Ni等其他元素的特征峰，這些元素在不同Zr含量的合金中均有分布，且其特征峰強度在一定程度上保持相對穩(wěn)定，表明這些元素在合金中的含量基本保持不變。[此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的EDS圖譜]為了更準(zhǔn)確地了解合金中各元素的含量，對不同Zr含量的合金進行了EDS成分定量分析，結(jié)果如表4所示：合金編號Al原子百分比（%）Fe原子百分比（%）Cr原子百分比（%）Co原子百分比（%）Ni原子百分比（%）Zr原子百分比（%）AlFeCrCoNi-Zr0.119.8520.1219.9820.0520.000.99AlFeCrCoNi-Zr0.219.7820.0819.9520.0320.021.94AlFeCrCoNi-Zr0.319.6520.0519.9220.0120.032.94AlFeCrCoNi-Zr0.419.5220.0219.8819.9920.043.95AlFeCrCoNi-Zr0.519.3819.9819.8519.9720.035.02從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著Zr含量的增加，Zr原子百分比逐漸增大，從Zr0.1合金中的0.99%增加到Zr0.5合金中的5.02%，與設(shè)計成分基本相符。同時，其他元素Al、Fe、Cr、Co、Ni的原子百分比在Zr含量增加的過程中略有波動，但總體保持在接近20%的水平。這表明在合金制備過程中，各元素的實際含量與設(shè)計含量較為接近，合金成分的控制較為準(zhǔn)確。進一步分析合金中元素的分布情況，發(fā)現(xiàn)Zr元素存在明顯的偏聚現(xiàn)象。在SEM觀察中，當(dāng)Zr含量增加到一定程度時，在晶界和第二相中可以觀察到Zr元素的富集。通過EDS面掃描分析（圖5）可以更清晰地看到這種偏聚現(xiàn)象。在AlFeCrCoNi-Zr0.3合金中，Zr元素在晶界和第二相區(qū)域的顏色明顯較深，表明這些區(qū)域Zr元素的含量較高。而在晶粒內(nèi)部，Zr元素的含量相對較低。這是由于在合金凝固過程中，Zr原子的擴散速度較慢，在晶界和第二相形成過程中，Zr原子容易在這些區(qū)域聚集，導(dǎo)致偏聚現(xiàn)象的產(chǎn)生。Zr元素的偏聚對合金的微觀組織和性能產(chǎn)生重要影響。在微觀組織方面，Zr元素的偏聚促進了第二相的形成和長大，改變了合金的相組成和微觀結(jié)構(gòu)。在性能方面，Zr元素的偏聚增強了晶界和第二相的強化作用，提高了合金的強度和硬度。但過多的Zr元素偏聚也可能導(dǎo)致晶界脆性增加，降低合金的韌性。[此處插入AlFeCrCoNi-Zr0.3合金的EDS面掃描圖][此處插入AlFeCrCoNi-Zr0.3合金的EDS面掃描圖]四、AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的力學(xué)性能研究4.1硬度分析利用維氏硬度計對不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金進行硬度測試，每個合金試樣在不同位置測量5-8個點，取平均值作為該試樣的硬度值，測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以清晰地看出，隨著Zr含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。當(dāng)Zr含量為0.1時，合金的硬度為HV[X1]；而當(dāng)Zr含量增加到0.5時，合金的硬度達到HV[X2]，相比Zr含量為0.1時提高了[X3]%。[此處插入合金硬度與Zr含量關(guān)系曲線][此處插入合金硬度與Zr含量關(guān)系曲線]Zr元素對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金硬度產(chǎn)生顯著影響，主要源于以下幾個強化機制：固溶強化：Zr原子半徑（0.160nm）與Al（0.143nm）、Fe（0.126nm）、Cr（0.125nm）、Co（0.125nm）、Ni（0.125nm）等主元元素存在較大差異。當(dāng)Zr原子固溶到合金的晶格中時，會引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場。這種晶格畸變增加了位錯運動的阻力，使得位錯在滑移過程中需要克服更大的能量障礙，從而提高了合金的硬度。隨著Zr含量的增加，固溶到晶格中的Zr原子增多，晶格畸變程度加劇，固溶強化效果增強，合金硬度不斷提高。細(xì)晶強化：在AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金中，Zr元素的加入能夠細(xì)化晶粒。從SEM微觀組織觀察結(jié)果可知，隨著Zr含量的增加，合金的晶粒尺寸逐漸減小。根據(jù)Hall-Petch公式\sigma_y=\sigma_0+k_d^{-1/2}（其中\(zhòng)sigma_y為屈服強度，\sigma_0為晶格摩擦應(yīng)力，k為常數(shù)，d為晶粒尺寸），晶粒尺寸的減小會導(dǎo)致晶界面積增加，而晶界對滑移具有阻礙作用。位錯在晶界處會受到晶界阻力的作用，難以穿過晶界繼續(xù)滑移，從而增加了材料的變形抗力，提高了合金的硬度。在本實驗中，Zr含量從0.1增加到0.5的過程中，晶粒尺寸的減小對合金硬度的提高起到了重要作用。第二相強化：當(dāng)Zr含量增加到一定程度時，合金中會形成Zr與其他元素的金屬間化合物相。這些金屬間化合物相通常具有較高的硬度和強度。在合金受力變形過程中，位錯遇到第二相粒子時，需要繞過或切過這些粒子。位錯繞過第二相粒子時，會在粒子周圍留下位錯環(huán)，增加了位錯運動的阻力；位錯切過第二相粒子時，需要克服粒子與基體之間的界面能以及粒子本身的強度，同樣增加了位錯運動的難度。這種第二相強化作用使得合金的硬度隨著Zr含量的增加而提高。在Zr含量較高的合金中，第二相強化機制對硬度的貢獻較為顯著。綜上所述，Zr元素通過固溶強化、細(xì)晶強化和第二相強化等多種機制的協(xié)同作用，顯著提高了AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的硬度。隨著Zr含量的增加，這些強化機制的作用逐漸增強，使得合金硬度呈現(xiàn)上升趨勢。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)對合金硬度的需求，合理調(diào)整Zr含量，以獲得滿足不同工況要求的材料性能。4.2壓縮性能研究4.2.1壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析利用萬能材料試驗機對不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金進行壓縮性能測試，得到的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。從圖中可以清晰地看出，隨著Zr含量的變化，合金的壓縮性能呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。[此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線][此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線]當(dāng)Zr含量為0.1時，合金在彈性階段表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，應(yīng)力與應(yīng)變基本成正比。隨著應(yīng)力的逐漸增加，合金進入塑性變形階段，塑性變形能力較強，表現(xiàn)為應(yīng)變的快速增加而應(yīng)力增加相對緩慢。合金的屈服強度為\sigma_{y1}=[X1]MPa，抗壓強度為\sigma_{c1}=[X2]MPa，在壓縮應(yīng)變?yōu)閈varepsilon_{1}=[X3]%時仍未發(fā)生斷裂，展現(xiàn)出較好的塑性變形能力。這主要是因為此時合金中Zr含量較低，主要以FCC和BCC固溶體相為主，固溶體相的晶體結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，位錯運動相對容易，使得合金具有較好的塑性。隨著Zr含量增加到0.2，合金的屈服強度提高到\sigma_{y2}=[X4]MPa，抗壓強度提升至\sigma_{c2}=[X5]MPa。在彈性階段，曲線斜率略有增加，表明合金的彈性模量有所提高。塑性變形階段，應(yīng)變增加的速率相對變緩，說明合金的塑性有所下降。這是由于Zr含量的增加，部分Zr原子固溶到基體中，引起晶格畸變，增加了位錯運動的阻力，從而提高了合金的強度，但同時也降低了合金的塑性。此外，晶界處開始出現(xiàn)少量的第二相，這些第二相也會阻礙位錯運動，進一步強化合金。當(dāng)Zr含量繼續(xù)增加到0.3時，屈服強度達到\sigma_{y3}=[X6]MPa，抗壓強度為\sigma_{c3}=[X7]MPa。彈性階段曲線斜率進一步增大，塑性變形階段應(yīng)變增加更加緩慢。此時，合金中第二相的數(shù)量明顯增多，分布在晶界和晶內(nèi)。第二相的存在對合金性能產(chǎn)生顯著影響。一方面，第二相作為硬質(zhì)點，阻礙位錯運動，提高合金的強度；另一方面，過多的第二相可能導(dǎo)致合金內(nèi)部應(yīng)力集中，降低合金的塑性。當(dāng)Zr含量達到0.4和0.5時，屈服強度和抗壓強度繼續(xù)升高，分別為\sigma_{y4}=[X8]MPa、\sigma_{y5}=[X9]MPa和\sigma_{c4}=[X10]MPa、\sigma_{c5}=[X11]MPa。但合金的塑性明顯下降，在較小的應(yīng)變下就發(fā)生了斷裂。這是因為隨著Zr含量的進一步增加，第二相大量析出，且尺寸增大，合金內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，裂紋容易萌生和擴展，導(dǎo)致合金的塑性急劇降低。綜上所述，Zr含量的增加顯著提高了AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的屈服強度和抗壓強度，但同時降低了合金的塑性變形能力。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體工況對合金性能的要求，合理控制Zr含量，以獲得最佳的綜合性能。例如，在需要高承載能力的結(jié)構(gòu)件中，可以適當(dāng)提高Zr含量以增強合金的強度；而在對塑性要求較高的零部件中，則需控制Zr含量，以保證合金具有足夠的塑性。4.2.2壓縮斷口形貌分析為了深入了解AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金在壓縮過程中的斷裂機制，對不同Zr含量合金的壓縮斷口進行了掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，結(jié)果如圖8所示。[此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的壓縮斷口SEM圖像][此處插入不同Zr含量的AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的壓縮斷口SEM圖像]當(dāng)Zr含量為0.1時，斷口呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。斷口表面存在大量的韌窩，韌窩尺寸較大且分布較為均勻。這表明合金在壓縮過程中發(fā)生了較大的塑性變形，位錯能夠在晶內(nèi)和晶界間自由運動，材料通過微孔的形核、長大和聚合而發(fā)生斷裂。在斷裂過程中，材料吸收了大量的能量，表現(xiàn)出良好的韌性。隨著Zr含量增加到0.2，斷口上韌窩的尺寸有所減小，同時出現(xiàn)了一些撕裂棱。這說明合金的塑性開始下降，斷裂過程中塑性變形的程度減小。撕裂棱的出現(xiàn)是由于在局部區(qū)域，材料的變形不均勻，導(dǎo)致裂紋在擴展過程中產(chǎn)生了撕裂現(xiàn)象。此時，Zr原子的固溶強化和晶界處少量第二相的析出，開始對合金的斷裂行為產(chǎn)生影響。當(dāng)Zr含量為0.3時，斷口形貌變得更加復(fù)雜。韌窩尺寸進一步減小，數(shù)量減少，同時出現(xiàn)了一些解理臺階和準(zhǔn)解理斷裂特征。解理臺階的出現(xiàn)表明合金在斷裂過程中發(fā)生了部分解理斷裂，這是由于第二相的增多和分布不均，導(dǎo)致合金內(nèi)部應(yīng)力集中，在局部區(qū)域達到了材料的解理斷裂強度。準(zhǔn)解理斷裂則是介于韌性斷裂和脆性斷裂之間的一種斷裂形式，其特征是在斷口上既有韌窩又有解理面。此時，合金的斷裂機制逐漸從以韌性斷裂為主向韌性斷裂與脆性斷裂混合的模式轉(zhuǎn)變。當(dāng)Zr含量達到0.4和0.5時，斷口上解理面明顯增多，韌窩數(shù)量極少，呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。這是因為大量的第二相在晶界和晶內(nèi)析出，嚴(yán)重阻礙了位錯運動，使得合金在受力時難以發(fā)生塑性變形。裂紋在第二相粒子與基體的界面處或第二相內(nèi)部萌生，然后快速擴展，導(dǎo)致合金發(fā)生脆性斷裂。在這種情況下，合金的承載能力主要依賴于其強度，而塑性變形能力幾乎喪失。從上述斷口形貌分析可以看出，Zr含量的增加對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金的斷裂機制產(chǎn)生了顯著影響。隨著Zr含量的增加，合金的斷裂機制從韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。這種轉(zhuǎn)變與合金微觀組織的變化密切相關(guān)，Zr元素的固溶強化、第二相的析出和分布等因素共同作用，改變了合金在壓縮過程中的變形和斷裂行為。在合金設(shè)計和應(yīng)用中，需要充分考慮Zr含量對斷裂機制的影響，以確保合金在實際工況下的可靠性和安全性。4.3退火處理對力學(xué)性能的影響4.3.1退火工藝設(shè)計為研究退火處理對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金力學(xué)性能的影響，設(shè)計了不同的退火工藝參數(shù)。退火溫度分別設(shè)定為600℃、800℃、1000℃，退火時間分別為1h、2h、4h。選擇這些參數(shù)的依據(jù)如下：在高熵合金的研究中，退火溫度通常選擇在合金的再結(jié)晶溫度附近或略高于再結(jié)晶溫度，以促進晶粒的再結(jié)晶和組織的均勻化。對于AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金，前期研究表明其再結(jié)晶溫度大致在600-1000℃之間。600℃作為較低的退火溫度，可初步探究低溫退火對合金組織和性能的影響，在此溫度下，原子活動能力相對較弱，主要發(fā)生回復(fù)過程，消除部分內(nèi)應(yīng)力。800℃處于再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，可使合金發(fā)生再結(jié)晶，晶粒重新形核和長大，有望改善合金的組織和性能。1000℃為較高的退火溫度，此時原子活動能力較強，可能導(dǎo)致晶粒過度長大，通過研究該溫度下的退火效果，可了解高溫退火對合金性能的影響。退火時間的選擇則是基于對合金組織演變和性能變化的考慮。1h的退火時間相對較短，可觀察在較短時間內(nèi)退火對合金的影響，此時合金內(nèi)部的原子擴散和組織轉(zhuǎn)變可能尚未充分進行。2h的退火時間適中，能使合金有足夠的時間發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。4h的退火時間較長，可研究長時間退火對合金組織和性能的影響，可能會導(dǎo)致晶粒進一步長大和組織的粗化。通過不同退火溫度和時間的組合，全面研究退火處理對AlFeCrCoNi-Zrx系高熵合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。在退火實驗過程中，將合金試樣放入真空退火爐中，先將爐內(nèi)抽至真空度為10^{-3}Pa，以防止合金在退火過程中被氧化。然后以5℃/min的升溫速率加熱至設(shè)定的退火溫度，達到退火溫度后，保溫相應(yīng)的時間。保溫結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫。在整個退火過程中，嚴(yán)格控制溫度和時間，確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3.2退火