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孫文文等《Acta Materialia》：高熵合金中發現珠光體結構，伴隨優異熱穩定及耐磨性

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，同時造成設備、器件、材料的不可逆損耗，因此耐磨材料是制造業中至關重要的材料。以良好的耐磨性能和高強度著稱的珠光體鋼是由Sorby在100多年前發現的，它具有由鐵素體和滲碳體組成的納米片層狀結構，在經歷滑動磨損過程中，鐵素體和滲碳體片層可沿應力方向變形并重新排列。這種片層取向隨應力施加方向的變化增加了硬質滲碳體片層在接觸面的面積分數，從而導致珠光體結構的高耐磨性能，珠光體鋼是廣泛應用于鐵軌的材料之一。鋼中的間隙C原子在珠光體結構的形成過程中起重要作用，但它們在高溫下擴散速率極高，因此當珠光體鋼在較高溫度下服役時，滲碳體相將粗化并球化，甚至發生失穩而導致相分解，從而使高耐磨性能和高強度發生損失。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構穩定是值得探索的方向，這可拓寬珠光體結構的使用溫度區間以及應用場合。

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

研究人員發現，與鋼鐵材料的相變相似，高熵合金中也可以發生共析反應而產生珠光體結構，共析轉變發生于500°C至650°C，共析反應為FCC→BCC+Ni3Ti，片層結構由BCC相和Ni3Ti相片層交替排列而成。由于高熵合金中的遲滯擴散效應導致高熵珠光體的片層狀結構比鋼中珠光體更精細（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時具備良好的熱穩定性（如圖2所示）。同時，與鋼中的珠光體結構類似，多主元珠光體的片層間距也隨共析轉變溫度的升高而增大，同時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異的耐磨性能（磨損率~2×10-5mm3/Nm），在550℃與600℃的環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制，磨損速率與硬度呈典型的負相關關系，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制，這是因為在磨痕表面形成了致密的保護性氧化層，以及具有足夠熱強度和熱穩定性的高加工硬化納米再結晶層。因此，高熵合金中的珠光體結構是一種值得進一步研究和優化的具有極端環境應用前景的高性能結構，同時該研究為耐磨多主元合金的開發提供了新的思路。

該工作獲得江蘇省自然科學基金青年項目和國家自然科學期金青年項目的支持。