Ni至CoCrFeMnNi等莫耳合金變形行為之比較探討

Study on deformation behaviors of equimolar alloys from Ni to CoCrFeMnNi

李軝

指導教授 ： 葉均蔚

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2013年)

摘要

CoCrFeMnNi等莫耳比高熵合金，由低溫至高溫皆呈現單一FCC相，在此FCC晶格中共有五種不同原子構成五元固溶體，因此非常適合研究高熵合金差排與大量固溶原子的交互作用。為了比較元素個數的影響，本研究同時設計Ni、CoNi、CoFeNi、及CoCrFeNi一元至四元等莫耳比FCC合金進行相同實驗加以比較。
Ni至CoCrFeMnNi五個合金的均質化試片，經過50%、70%及90%的冷輥軋後，微結構觀察發現軋延加工量上升，滑移帶逐漸粗大，且隨著元素個數的增加，滑移帶由波浪狀轉變為平行狀。另外本研究使用X-ray分析法量測，發現疊差能呈下降的趨勢，Ni金屬的疊差能為108 mJ/m2而CoCrFeMnNi合金的疊差能僅6.2 mJ/m2。此一演變使交叉滑移困難，可解釋滑移帶的演變趨勢。
由室溫拉伸曲線的比較，發現降伏強度及伸長率皆隨著元素的添加而提升，顯示在多元效應下，兩項性質皆同時提升，說明高熵固溶強化的優點。此外，在-155 oC的拉伸實驗中，五元合金的強度不但為室溫的2.02倍，且延性卻增加為1.23倍，而Ni金屬的低溫延性卻略為下降，因此FCC高熵合金與傳統FCC金屬對低溫的反應顯然不一樣，本研究認為低疊差能的CoCrFeMnNi合金容易以奈米雙晶變形，且愈低溫欲發達，晶粒的奈米化不但使強度上升且延性也大幅提升。
由300-700 oC高溫拉伸曲線的比較，發現愈多元有愈明顯的鋸齒狀現象，亦即動態應變時效 (dynamic strain aging 簡稱DSA)。一元和二元合金沒有DSA現象；而三元、四元及五元合金在高溫皆有DSA現象。以五元高熵合金為例，300 oC拉伸曲線在高應變區才開始出現DSA，500 oC DSA現象最大，但650 oC下DSA消失。相較於傳統碳鋼，碳原子在300-600 oC間即具有高移動力，足以追趕移動差排而產生DSA現象；然而五元高熵合金的原子皆為置換型，以本實驗室蔡坤佑學長所量的擴散係數來計算，要得到DSA現象，溫度應高達900-1100 oC。針對此，本研究認為差排在多元原子的晶格中，滑移到任一個位置皆同時遭遇許多固溶原子的牽絆，此固溶原子並不需要如碳原子般的擴散追趕，只要當下熱振動 (in-situ)進行小於一個原子距離的移動，即可使差排能量下降，而增加差排再前進的阻力，因而使得DSA現象發生；由於三元等莫耳比合金即開始發生DSA現象，說明此一機制在三元等莫耳比合金即能運作。此外，DSA現象在更高的溫度之所以消失，可歸因於原子的熱振動太大，使現場牽絆 (in- situ pinning)機制變得不明顯。
此外，本研究首次利用中子繞射對高熵合金作分析，發現其表現行為與傳統合金不一樣。高熵合金的彈性係數比平均法則來的小，且對溫度不太敏感。原因來自於晶格扭曲導致原子不在一直線上，使得施加應力後，系統感受的力較小，且因為高溫熱振動必須先抵銷晶格應變，使得彈性係數對溫度不敏感。
最後，本研究對於高熵合金的物理性質做了探討，發現高溫電阻、高溫XRD以及熱傳導係數量測實驗中，皆發現晶格扭曲效應主導了物理性質，導致在一定的溫度區間，對溫度不敏感。

關鍵字

高熵合金 ； 差排 ； 動態應變時效 ； 中子繞射

參考文獻

[3] J.W. Yeh, S.K. Chen, S.J. Lin, J.Y. Gan, T.S. Chin, T.T. Shun, C.H. Tsau, S.Y. Chang, Advanced Engineering Materials, 6 (2004) pp.299-303.

[4] J.-W. Yeh, S.-K. Chen, J.-Y. Gan, S.-J. Lin, T.-S. Chin, T.-T. Shun, C.-H. Tsau, S.-Y. Chang, Metallurgical and Materials Transactions A, 35 (2004) pp.2535-2538.

[11] 鍾宜臻,“Co-Ni-Fe-Cr-Mn(Al)合金系列X光繞射強度、硬度、熱傳導及熱膨脹之研究” (2007).

[13] K.Y. Tsai, M.H. Tsai, J.W. Yeh, Acta Materialia, 61 (2013) pp.4887-4897.

[22] J.P. Hirth, J. Lothe, Theory of Dislocations, Krieger, Florida, 1982.