復合材料原理1.定義高熵合金一般由5~13種合金元素以近等摩爾比的方式組成，每種元素的原子百分比在5~35at.%之間。注意點：1）這些不同種類的原子混合排布，隨機占據合金晶體點陣位置，形成了無溶質與溶劑區別的固溶體。2）傳統合金中的自由度（F）與其相數（P）和組元數（C）密切相關，由吉布斯相律：P=C-F+13）結構一般僅為單相或雙相固溶體，結構為BCC、FCC及HCP等，11.1概述第11教學單元：高熵合金基復合材料2.結構分類：

(a)BCC（FeCoAlCrNi）(b)FCC（FeCoCrNiMn）(c)HCP（GdTbDyTmLu）圖11-1高熵合金三種結構示意圖3.熵判據：a)低熵合金:?Smix<1R，1~2種元素為主要組成元素；b)中熵合金:1R?Smix=1R~1.5R，2~4種主要組成元素；c)高熵合金:?Smix>1.5R，>5種及以上主要組成元素。4.結構判據：單一簡單結構也可稱為高熵合金。如FeCoNi、ZrNbHf和四元Fe20Co20Ni41Al19、Fe50Mn30Co10Cr10等均系高熵合金1）高熵效應5.高熵合金的五大效應混合熵越大，系統的自由能越低，系統就越穩定。高熵合金五大效應：熱力學上的高熵效應、結構上的晶格畸變效應、動力學上的遲滯擴散效應、性能上的雞尾酒效應、組織上的高穩定性效應。高熵合金性能特點：具有高強度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等傳統合金所不能同時具備的優異性能2）晶格畸變效應圖11-2晶格畸變對XRD強度的影響：(a)高熵合金XRD衍射峰強度隨組元數增加的變化情況；(b)純金屬的完美晶體結構示意圖；(c)具有不同尺寸原子的高熵合金晶體結構示意圖；(d)溫度和晶格畸變對XRD衍射峰強度的影響3）遲滯擴散效應圖11-3Fe34Cr34Ni14Al14Co4高熵合金的明場TEM圖像和衍射花樣：(a)低倍圖像，(b)(c)實線框和虛線框的相應高倍率圖像，(d)、(e)大尺寸納米相和基體的衍射花樣

高熵合金中含有多種元素，這些不同種類的原子尺寸各不相同，彼此的結合力也不相同，在這種原子隨機占據合金晶體結構點陣位置、引發晶格畸變的高度復雜的系統中，原子擴散相對比較困難，從而降低了高熵合金的擴散速率，這種特殊現象稱為遲滯擴散效應。4）“雞尾酒”效應向高熵合金系統中加入具有某一性質的金屬元素時，往往會使該合金系統也得到類似的性質。“雞尾酒”效應使得高熵合金的性能有無限的可能，也使得其成分設計具有廣闊的空間。5.熱穩定性由吉布斯自由能與焓和熵之間的關系可知，隨著熵的增加，系統中的吉布斯自由能降低，其穩定性提高，高溫時體系混亂度更高，高熵效應更明顯，自由能更低，高溫性能更加穩定，即高熵合金具有優異的熱穩定性能。6.高熵合金的相組成規律Ω熵焓效應比、δ原子半徑均方差

圖11-4高熵合金相組成與參數Ω和δ的關系7.高熵合金的性能1.強度圖11-5不同x時FexCoNiCu合金應力-應變曲線（a）及其對應的XRD圖譜(b)

圖11-6.FexCoNiCu合金的斷口形貌圖：(a)x=1.5，(b)x=2，(c)x=2.5，(d)x=32.硬度

圖11-8不同高熵合金的硬度對比圖3.耐磨性能4.熱穩定性

圖11-9高溫下Nb25Mo25Ta25W25合金的壓縮應力-應變曲線11.2制備

圖11-10高熵合金基復合材料分類及制備工藝11.3內生增強體的反應機制1.Fe-Ti-C系熱力學分析表11-1Fe-Ti-C系可能的反應式、吉布斯自由能變化與溫度的函數關系式可能的反應式吉布斯自由能變化與溫度的函數關系式Ti+C→TiC(11-11)(11-12)2Fe+Ti→FeTi2(11-13)(11-14)Fe+Ti→FeTi(11-15)(11-16)3Fe+C→Fe3C(11-17)(11-18)圖11-11Fe-Ti-C系可能反應產物的吉布斯自由能變化隨溫度的變化關系曲線2.Fe-Ti-C反應過程分析圖11-12

分體系的二元合金相圖：(a)Ti-C；(b)Fe-Ti圖11-13(a)Fe-Ti-C系的DSC分析，(b)Fe-Ti系的DSC分析，(c)Fe-Ti-C系加熱到1000K經淬冷后的XRD圖，(d)Fe-Ti-C系加熱到1000K冷淬后SEM照片及EDS圖，(e)Fe-Ti-C系加熱到1500K再經淬冷后的XRD圖，(f)Fe-Ti-C系加熱到1500K淬冷后的SEM照片、EDS圖

圖11-14Fe-Ti-C系反應過程示意圖Step1：3Fe+2Ti→FeTi+Fe2Ti

(11-19)Step2：FeTi+Fe2Ti→3Fe+2Ti(11-20)Step3：Ti+C→TiC(11-21)Step4：3Fe+C→Fe3C(11-22)3.Fe-Ti-C反應活化能計算圖11-15Fe-Ti-C(10vol.%)系不同溫度下的DSC曲線(a)15K/min，(b)20K/min，(c)25K/min，(d)30K/min表11-2Fe-Ti-C(10vol.%)系在不同的升溫速率下對應的峰值溫度升溫速率β/(K/min)15202530峰頂溫度Tm/KStep1680714731780Step21188118911901191Step31441144214431445圖11-16Fe-Ti-C系各分布反應的散點圖(a)step1，(b)step2，(c)step325kJ/mol1404kJ/mol2709kJ/mol11.3界面1.外生型圖11-17激光熔煉制備TiNp/HEA復合材料組織的透射電鏡照片

（a），（b）:微區及其選區衍射花樣；（c）:TiN顆粒在晶內與晶界的分布；（d）,（e）:晶內顆粒與基體界面的HRTEM圖；（f），（g）：基體晶界處顆粒及其HRTEM圖；（h），（i）,（j）：顆粒與基體界面處的HRTEM圖圖11-18HEA-TiC界面處TEM明場像

（a）位錯塞積于HEA-TiC的界面（b）位錯彎曲于HEA-TiC的界面

圖11-19不同燒結溫度、30MPaSPS燒結FeCoCrNiMoHEA/金剛石復合材料的界面結構TEM圖(a)850℃;(b)900℃;(c)950℃;(d)1000℃;及其對應的界面(e)、(f)、(g)、(h)

11-20（a）復合材料TEM明場像照片；（b）1000℃燒結時金剛石/HEA界面HRTEM照片；（c）基體的選區衍射花樣；(d)Cr23C6立方結構衍射花樣；（e）Cr7C3六方結構衍射花樣圖11-21高熵合金顆粒與鋁基體界面形貌（a）及其成分分析圖(b)

圖11-22（a）AlCoCrFeNi/Al-Mg界面TEM照片；（b）、（c）和（d）指定區域的HRTEM照片和衍射花樣2.內生型

圖11-23FeCoNiCu/10vol%(TiCp+Gw)高熵合金基復合材料的TEM形貌與衍射斑點：(a)：TiC顆粒的顯微形貌；(b)：石墨晶須的顯微形貌；(c)：TiC的衍射斑點；(d)：基體的衍射斑點。11.4性能影響因素圖11-2410vol.%SiC/Fe2.5CoNiCu、10vol.%TiC/Fe2.5CoNiCu的應力-應變曲線1.增強體種類2.增強體體積分數

圖11-25

不同增強體體積分數的TiC/Fe2.5CoNiCu復合材料組織形貌SEM照片及其應力-應變曲線圖：（a）5vol.%，(b)10vol.%（c）應力-應變曲線

圖11-26不同體積分數的TiC/Fe2.5CoNiCu復合材料的拉伸斷口形貌：(a)5vol.%，(b)10vol.%3.合金元素

圖11-275vol.%的TiC/AlxFeCoNiCu復合材料SEM照片：(a)x=0.2，(b)x=0.4，(c)x=0.6，(d)x=0.8，(e)x=1.0圖11-2810vol.%的TiC/AlxFeCoNiCu復合材料SEM照片：(a)x=0.2，(b)x=0.4，(c)x=0.6，(d)x=0.8，(e)x=1.01)Al圖11-29

不同Al含量時AlxFeCoNiCu/(TiCp)復合材料的XRD圖譜(a)：5vol%TiC；(b)：10vol%TiC圖11-30

增強體TiC體積分數分別為5vol.%和10vol.%，不同Al含量時復合材料的拉伸應力-應變曲線與拉伸強度和延伸率：(a)、(c)拉伸應力-應變曲線，(b)、(d)

拉伸強度與延伸率2)V元素圖11-31不同V含量的VxFeCoNiCu/(TiCp)復合材料顯微組織形貌：(a)：x=0.2；(b)：x=0.4；(c)：x=0.6圖11-32

不同V含量的VxFeCoNiCu/(TiCp)復合材料的XRD圖譜圖11-33不同釩含量時VxFeCoNiCu/(TiCp)復合材料應力-應變曲線及拉伸強度和延伸率：(a)：應力-應變曲線；(b)：拉伸強度與延伸率4.熱處理圖11-34(a)鑄態TiB2/FeCoNiCu復合材料退火前后的硬度與XRD圖譜：(a)硬度;(b)、(c)XRD圖譜5.形變的影響形變：加工硬化。減小增強體顆粒尺寸，促使其在基體中彌散分布。本章小結高熵合金組織結構簡單，性能優異，成分設計具有廣闊的空間，在此基礎上制備高熵合金基復合材料能夠綜合增強體