20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究（太原）
20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究（太原）,20,基體,表面,熔滲高熵,合金,工藝,性能,機能,研究,鉆研,太原
畢業(yè)設計
20鋼基體表面熔滲高熵合金
工藝及性能研究
李鑫
102018105
學生姓名： 學號：
機械工程系
系 部：
材料成型及控制工程工程
專 業(yè)：
梁紅英
指導教師：
二〇一四年六月
誠信聲明
本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。
本人簽名： 年 月 日
畢業(yè)設計任務書
設計題目： 20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究
系部： 機械工程系 專業(yè)： 材料成型及控制工程 學號： 102018105
學生： 李鑫 指導教師（含職稱）： 梁紅英（副教授）專業(yè)負責人： 趙躍文
1．設計的主要任務及目標
1）掌握高熵合金的概念、性能特點、制造工藝。
2）完成高熵合金在20鋼基體表面熔滲工藝實驗。
3）各種實驗條件下獲得的熔滲高熵合金試樣的制備。
4）各種實驗條件下獲得的熔滲高熵合金的顯微組織觀察。
5）完成各種實驗條件下獲得的的硬度、耐磨性等力學性能實驗。
通過上述實驗取得表面熔滲高熵合金的合適工藝參數(shù)、獲得顯微組織照片及力學性能的實驗數(shù)據(jù)。
2．設計的基本要求和內容
1）查閱20篇以上的科技文獻。
2）完成畢業(yè)設計的各項實驗任務。
3）完成畢業(yè)設計的開題答辯、中期檢查。
4）按照畢業(yè)論文的撰寫要求完成畢業(yè)論文、參加答辯。
3．主要參考文獻
[1]劉源,李言祥,陳祥,陳敏.多主元高熵合金研究進展[J].材料導報,2006,04:6-14.
[2]郭衛(wèi)凡.多主元高熵合金的研究進展[J].金屬功能材料,2009,01:49-53.
[3]周美玲,謝建新,朱寶泉.材料土程基礎[M].北京:北京土業(yè)大學出版社,2004:42-43.
[4]葉均蔚,陳瑞凱,林樹均.高熵合金的發(fā)展概況[J].工業(yè)材料雜志,1994,224:71-79.
4．進度安排
設計各階段名稱
起 止 日 期
1
查閱科技文獻，完成開題答辯
2014年3月3日—2014年3月16日
2
高熵合金表面熔滲工藝實驗
2014年3月17日—2014年4月13日
3
表面熔滲高熵合金顯微組織觀察
2014年4月14日—2014年5月11日
4
表面熔滲高熵合金力學性能試驗
2014年5月12日—2014年6月1日
5
整理資料，撰寫論文，準備答辯
2014年6月2日—2014年6月10日
20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究
摘要：高熵合金作為新近發(fā)展起來的合金體系，打破了傳統(tǒng)合金以一種元素為基的格局，具有獨特的組織結構和性能特點。高熵合金由五種及以上金屬元素組成，每種元素都具有較高的原子百分比，在50%-35%之間。
這種合金的突出特點是具有高熵效應，高熵效應的影響使高熵合金具有許多有別于傳統(tǒng)合金的組織和性能特點，往往表現(xiàn)出顯微結構簡單化、納米析出物及非晶結構、納米晶粒等組織特征和高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕等性能特點。
表面涂層技術是改善模具使用性能的重要手段。目前已開發(fā)了多種涂層材料以適應模具不同的使用條件，成形技術也取得了長足的發(fā)展。對模具表面涂覆高熵合金獲得涂層的技術有很高的研究和使用價值，可以充分利用高熵合金的高硬度、高耐磨性等力學性能優(yōu)勢，提高模具的使用壽命，降低制造成本，是今后模具表面涂層技術的發(fā)展目標。
本論文選取Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八種常用的金屬元素，將該系列高熵合金涂覆到各基體表面，通過電加熱爐加熱、感應加熱使高熵合金與基體更好的結合，獲得在20鋼基體表面熔滲高熵合金的合適工藝參數(shù)，通過電子顯微鏡的觀察獲得顯微組織照片，通過性能測試獲得力學性能的實驗數(shù)據(jù)。
關鍵詞：高熵合金，涂層，硬度
20 steel substrate surface aluminized high entropy
alloys technology and performance study
Abstract：High entropy alloy, as a new developing alloy system, breaks through the traditional alloy design frame work which is based on one major alloy element. In addition, it presents especial microstructure and novel properties. High一 entropy alloy contains five or more elements, each element has a high percentage of atoms between 50% and 35%. It is an alloy of the salient' characteristics of high-entropy effect. Because of the high-entropy effect. high-entropy alloys has many different microstructure and performance characteristics from traditional alloys. High-entropy alloys often show the microstructure of simplification, nano separation material and amorphous structure, nano-grain characteristics and the performance of high strength, high hardness, wear resistance, corrosion resistance etc.
Mould surface coating and its forming technology is an important method of improving mould operating performance.Various coating materials have been developed to adapt to the different requirements of moulds and thus the forming technology has also made great progress. By analyzing the current situation of mould coating forming technology and its applications, the author points out that the development targets to the mould coating materials and its processing would focus on the optimize the coating materials design, increase the producting efficiency and lowering the manufacturing cost.
This paper picks Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti 、Si eight commonly used metals. this series of high entropy alloys coating to the substrate surface, through the electric heating furnace, induction heating, keeping better combination of high entropy alloys and matrix, obtained in 20 steel substrate surface melt infiltration of high entropy alloys suitable process parameters of microstructure were obtained through the observation of electron microscope photos, mechanical properties of experimental data obtained through performance test.
Keyword：high entropy alloys，coating，hardness
目 錄
1 前言 1
1.1 多主元高熵合金的定義 1
1.2 多主元高熵合金的結構特征 1
1.3 多主元高熵合金的性能特點 2
1.4 多主元高熵合金的制備工藝 3
1.4.1 真空熔煉法 3
1.4.2 磁控濺射法 4
1.4.3 機械合金化法 4
1.4.4 電沉積法 4
1.4.5 其他方法 4
1.5 多主元高熵合金國內外研究現(xiàn)狀 4
1.6 高熵合金可應用的領域 5
1.6.1 高速切削用刀具 5
1.6.2 各類工、模具 6
1.6.3 高爾夫球頭 6
1.6.4 超高大樓的耐火骨架 7
1.6.5 化學工程、船舶的耐蝕高強度材料 7
1.6.6 渦輪葉片 7
1.6.7 電子器件、通訊領域 7
1.6.8 其它 7
1.7 涂層技術 8
1.7.1 高溫抗氧化涂層的基本要求 8
1.7.2 高溫抗氧化涂層的種類 9
2 熔滲高熵合金試樣的制備 11
2.1 配制高熵合金 11
2.1.1 合金元素的選擇及合金成分的設計 11
2.1.2 工藝路線 11
2.1.3 實驗步驟及過程 12
2.2 粘結劑的配制 13
2.2.1 粘結劑的概念 13
2.2.2 粘結技術的特點 13
2.2.3粘結劑的組成 14
2.2.4 粘結劑的配制方法 14
2.3 熔滲高熵合金試樣的制備 14
2.3.1 常規(guī)金相試樣的制備 15
2.3.2 20鋼熔滲高熵合金試樣的制備 17
3 20鋼基體熔滲高熵合金工藝研究 20
3.1 20鋼的定義 20
3.2 20鋼材料的成分 20
3.3 20鋼組織 20
3.4 20鋼相關性能 21
3.4.1 特性 21
3.4.2 力學性能 22
3.4.3 許用應力 22
3.5 20鋼用途 22
3.6熱處理爐加熱熔滲高熵合金工藝 22
3.6.1 工藝步驟 22
3.6.2 工藝溫度曲線 24
3.7 感應加熱熔滲高熵合金工藝 24
3.7.1 感應加熱的基本原理 24
3.7.2 感應加熱的特點 26
3.7.3 感應加熱新工藝 27
4 20鋼基體熔滲高熵合金組織及性能研究 29
4.1 硬度測試 29
4.1.1 維氏硬度計的原理 29
4.1.2 維氏硬度的表示方法 29
4.1.3 維氏硬度實驗優(yōu)缺點 30
4.1.4 維氏硬度計的應用 31
4.1.5 維氏硬度計的操作步驟 31
4.2 金相顯微組織觀察 32
4.2.1 操作步驟 32
4.2.2 注意事項 32
4.3 基體組織及性能 33
4.3.1 基體顯微組織 33
4.3.2 基體硬度測試 34
4.4 感應加熱熔滲八組元高熵合金的組織及性能 36
4.4.1 感應加熱熔滲八組元高熵合金的微觀組織 36
4.4.2 感應加熱熔滲八組元高熵合金的力學性能 37
4.5 感應加熱熔滲五組元高熵合金的組織及性能 39
4.5.1 感應加熱熔滲五組元高熵合金的顯微組織 39
4.5.2 感應加熱五組元熔滲高熵合金的力學性能 39
4.6 五組元熱處理爐加熱熔滲高熵合金的組織及性能 41
4.6.1 五組元熱處理爐加熱熔滲高熵合金的微觀組織 41
4.6.2 五組元熱處理爐加熱熔滲高熵合金的力學性能 41
4.7 組織比較與性能比較 43
4.7.1 組織比較 43
4.7.2 性能比較 43
結論 45
參考文獻 46
致謝 47
II
太原工業(yè)學院畢業(yè)設計
1 前言
1.1 多主元高熵合金的定義
多主元高熵合金由至少5種以上的主要元素構成,混合熵對于這類合金而言,扮演了一個十分重要的角色。熵是熱力學上代表混亂度的一個參數(shù),一個系統(tǒng)的混亂度愈大,熵就愈大。根據(jù)Boltzmann關于熵變與系統(tǒng)混亂度關系的假設,n種等摩爾元素混合形成固熔體時的熵變(配位熵):ΔSconf=R ln(n),當n=2、3和5時,ΔSconf分別為0.69R、1.10R和1.61R。如果考慮原子振動組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)等的正貢獻,系統(tǒng)的熵變還要大。傳統(tǒng)合金以1種元素為主,其混合熵約小于每摩爾0.693R。為了與傳統(tǒng)合金有明顯的區(qū)別,且充分發(fā)揮多主元高亂度的效應,一般定義高熵合金的主要元素數(shù)目n≥5?；谝陨瞎浪?如果將合金世界以混合熵來區(qū)分,傳統(tǒng)合金屬于低熵合金的范疇,中熵合金則介于高熵合金與低熵合金之間,此范疇主要是指主元素的個數(shù)為2～4。當然上述定義只能視為大約的界線。
在新合金觀念下設計的高熵合金系統(tǒng)無以計數(shù),遠超過傳統(tǒng)合金,例如從周期表103種元素中的80種金屬元素中取13種常用的金屬元素配制成五元、六元、七元、八元、九元、十元、十一元、十二元、十三元合金,將可獲得7099種合金系統(tǒng)。對于每一種合金系統(tǒng)可設計成簡單的等摩爾比合金,也可設計成非等摩爾比合金,當然也可以添加次要元素來改良合金性能[1]。
1.2 多主元高熵合金的結構特征
(1) 顯微結構簡化,不傾向于出現(xiàn)金屬間化合物
根據(jù)經典的Gibbs相率,n種元素的合金系統(tǒng)的平衡相的數(shù)目p=n+1,在非平衡凝固時形成的相數(shù)p>n+1。按照傳統(tǒng)合金的特點,人們都認為多個主元素合金將產生多種金屬間化合物,惡化合金的機械性能。然而研究發(fā)現(xiàn)多主元高熵合金顯微組織中形成簡單的體心立方或面心立方相或非晶質,不傾向于形成脆性的金屬間化合物,所得相數(shù)p遠遠小于(n+1);他們把其原因歸結為高熵效應,高熵是多主元合金的特色,因二元、三元、四元、五元、六元的合金的混合熵ΔS分別為5.8、9.2、11.6、13.4、15.0 J·mol-1·K-1,高熵合金的混合熵高于傳統(tǒng)合金熔化時的熵(7～11 J·mol-1·K-1)。根據(jù)Gibbs自由能表達式:ΔGm= ΔHm-TΔSm,ΔHm、ΔSm分別是固溶體的形成熱焓和形成熵,T為溫度。高熵合金的相變與顯微結構的變化的溫度是在500℃和1500℃之間,所以當T為500℃、1000℃、1500℃時,對應的TΔSm為11.5 kJ·mol-1、18.9 kJ·mol-1、26.4 kJ·mol-1,其值大于ΔHm,故ΔG<0,元素能夠有效地混合形成合金;當系統(tǒng)的混合熵大于形成金屬間化合物的熵變,就會抑制脆性金屬間化合物的出現(xiàn),促進元素間混合形成簡單的體心立方(BCC)或面心立方(FCC)結構;如果合金系統(tǒng)的混合熵效應減弱,也會在形成BCC相內析出金屬間化合物。
(2) 納米析出物與非晶質結構
高熵合金的微結構的另一特點是傾向于納米化,甚至非晶化。高熵合金的這一特點,研究者認為主要與動力學有關,因為多個元素的擴散和重分配會延后相的成核與成長,有利于納米相的形成。即使高熵合金在傳統(tǒng)熔解凝固的情況下,都會有納米相的分布;對于快速凝固和真空鍍膜,更會有納米化甚至非晶化的傾向。
(3) 納米晶粒
高熵合金經加工后可得到納米晶粒。例如FeCoNiCrCuAl0.5高熵合金經50%壓下率冷壓后,樹枝晶內部出現(xiàn)納米結構,大小約數(shù)納米到數(shù)十納米。
1.3 多主元高熵合金的性能特點
(1) 高熵合金強度與硬度高
例如Al11.1(TiVCrMnFeCoNiCu)88.9合金的壓縮強度到達2.431GPa,這是固溶強化機制和結構由FCC到BCC的轉變所致。高熵合金鑄態(tài)組織硬度為600～900HV,相當于或者大于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化后的硬度;改變合金元素的含量,可以提高合金的硬度。
(2) 高熵合金大部分具有耐回火軟化特性
例如,在1000℃退火24 h爐冷到室溫,其硬度約相等,有時甚至有析出硬化特性,這與傳統(tǒng)合金不同,碳鋼淬硬化后再回火有明顯的軟化現(xiàn)象,耐高溫的高速鋼也在高于550℃溫度下發(fā)生軟化。而含有Cr或Al的高熵合金在高達1100℃的溫度下有優(yōu)異的抗氧化性能
(3) 高熵合金具有耐磨特性
研究AlxCoCrCuFeNi高熵合金的粘著磨損行為發(fā)現(xiàn):當鋁的含量較低時(x=0.5),合金由簡單的FCC結構組成,x=1.0時,形成FCC+BCC的混合結構;在磨損的表面,FCC區(qū)域有深的磨損凹槽,而BCC區(qū)域是光滑的,在光滑區(qū)域,雖然已經發(fā)生氧化磨損,但以層狀磨損為主;當鋁含量較高時(x=2.0),合金的硬度提高,產生氧化磨損,氧化膜有助于抵抗磨損,故合金的抗磨損性能提高。
(4)高熵合金具有優(yōu)異的耐蝕性
例如在室溫下Cu0.5NiAlCoCrFeSi高熵合金在1mol/L的NaCl和1mo/L的H2SO4溶液中總的抗腐蝕能力優(yōu)越于304型不銹鋼。如果高熵合金顯微組織中存在偏析,如FeCoNiCrCux高熵合金銅偏析于枝晶間,隨著銅含量的增加,合金在3.5%NaCl溶液中的局部腐蝕傾向也增大,這是因為合金中富銅區(qū)(枝晶間)和貧銅區(qū)(枝晶)形成活躍的原電池導致枝晶間區(qū)域先被腐蝕。
另外,高熵合金具有軟磁性及高電阻率,在高頻通訊器件方面有很大的應用潛力。
高熵合金具有高強度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐磨性、耐腐蝕、高電阻率等性能,其特性優(yōu)于傳統(tǒng)合金。這些特性都源于高熵合金易形成固溶體、納米結構與各元素混合的雞尾酒效應。高熵合金源于中國臺灣,近期也受到國內外學者的關注,如北京科技大學張勇教授課題組研制并研究AlCoCrFeNiTix高熵合金體系的力學性能,劍橋大學的Kim K B等也在研究等摩爾多主元合金［2］。
1.4 多主元高熵合金的制備工藝
臺灣學者首次制備高熵合金的方法是真空電弧爐熔鑄法,而后運用磁控濺射方法制備多主元高功能合金鍍膜,近期印度的S.Varalakshmi等運用機械合金化的方法也成功制備了AlFeTiCrZnCu高熵合金。高熵合金可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜法來制作塊材、涂層或薄膜,使其應用多姿多彩［2］。
1.4.1 真空熔煉法
這是制備高熵合金最常用的方法,包括真空電弧熔煉法和真空感應熔煉法.
真空電弧熔煉是在真空下,利用電極和坩堝兩極間電弧放電產生的高溫作為熱源,將金屬熔化，在坩堝內冷凝成錠的過程。它的優(yōu)點是熔煉溫度高，可以熔煉熔點較高的合金，并且對于易揮發(fā)雜質和某些氣體（如氫氣）的去除有良好的效果。
真空感應熔煉的原理是熔煉爐中的感應線圈通入交流電時產生交流磁場，交流磁場在爐內的金屬爐料中產生感應電動勢，因集膚效應產生交流電流，爐料本身的電阻轉換成感應熱使金屬熔化。它的優(yōu)點是可以一次性熔煉較多的合金，但無法熔煉高熔點的合金[3]。
1.4.2 磁控濺射法
磁控濺射法又稱為高速低溫濺射法，是一種十分有效的薄膜沉積方法，常用于微電子、光學薄膜、材料等領域的薄膜沉積和表面處理等。 它具有濺射速率高，基片溫度低，可控性和重復性好，鍍膜層與基材的結合力強，鍍膜層致密均勻，成份容易控制等優(yōu)點。到目前為止已有多篇關于利用磁控濺射法制備高熵合金的報道。
1.4.3 機械合金化法
機械合金化是用高能研磨機或球磨機實現(xiàn)固態(tài)合金化的方法，它是制備先進固體材料的一種常用方法，是Benjamin及其合作者在20世紀60年代末為研制氧化物彌散強化(ODS)鎳基高溫合金而開發(fā)的一種材料合成加工技術。
在高熵合金研究中，可利用機械合金化法來制備納米尺度合金粉體材料，或進而采用粉末冶金的方式制備塊體材料。 目前已有文獻報道機械合金化法制備高熵合金的研究。
1.4.4 電沉積法
電沉積是一種在水溶性或有機溶性電解液中，將電源與浸沒在電解液中的陰陽兩級相連接，通過發(fā)生電化學反應，金屬陽離子在陰極基底上發(fā)生還原反應析出致密純金屬或合金的方法。有關電沉積制備多主元高熵合金薄膜的文獻已見報道。
1.4.5 其他方法
除了以上制備方法外，還有文獻報道利用熱噴涂制備高熵合金薄膜和真空熔體快淬法制備高熵合金非晶薄帶。可見，高熵合金既能用傳統(tǒng)方法也能用比較先進的方法制備，使其應用范圍很廣［4］。
1.5 多主元高熵合金國內外研究現(xiàn)狀
由于高熵合金是一個新合金世界,具有學術研究意義和很大的工業(yè)發(fā)展?jié)摿?。會為合金業(yè)應用帶來一場新的變革,為社會帶來新的效益。所以上世紀九十年代高熵合金的概念剛出現(xiàn)就受到了國內外學者的關注。目前,國內外有許多學者在研究高熵合金的理論及材料體系。
不過,目前國內外學者對高熵合金的研究,主要集中在制備方法的研究,并且針對具體合金系,研究元素含量對合金組織、性能的影響。研究對象主要是在Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn等元素中選配的5~8元合金;所研究的性能主要是常規(guī)力學性能,如硬度、抗壓強度、耐磨性、耐蝕性等,其它性能研究相對較少,數(shù)據(jù)不多。微觀機理方面的研究尚未真正展開,僅清華大學和北京科技大學的學者做了少量探索。從研究成果來看,目前還是臺灣清華大學的研究處于領先地位,已有多項發(fā)明專利。
由于高熵合金擁有很多優(yōu)異的特性,并可通過適當?shù)某煞衷O計進行強化,其性能不亞于傳統(tǒng)合金,潛在的應用前景十分廣泛。高摘合金的實際應用除可利用其良好的力學性能外,還可利用其光學、電學和磁學等各種物理、化學特性。例如:高硬度且耐磨耐高溫的工具、模具和刃具;高爾夫球頭的擊打面、油壓氣壓桿、鋼普及軋壓筒的硬面;高頻變壓器、馬達的各種磁性器件;工廠、輪船的耐蝕高強度材料;渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料等.
高熵合金是一個全新的合金領域,它跳出了傳統(tǒng)合金的設計框架,是具有許多優(yōu)異性能的特殊合金系,是一個可合成、分析和控制的合金新世界,可以開發(fā)出大量的高技術材料,而且可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴徐法及鍍膜法來制作塊材、涂層或薄膜,對干傳統(tǒng)的鋼鐵產業(yè)而言,是一個新的發(fā)展方向。就實用性而言,若無法找到功能合適的傳統(tǒng)合金,高熵合金或許可以適用。高熵合金具有高強度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐磨性、耐腐蝕、高電阻率等性能,其特性優(yōu)于傳統(tǒng)合金。這些特性都源于高熵合金易形成固溶體、納米結構與各元素混合的雞尾酒效應。在不久的將來,高熵合金的廣泛使用會為合金業(yè)應用帶來一場新的變革,為社會帶來新的效益。
1.6 高熵合金可應用的領域
1.6.1 高速切削用刀具
高熵合金具有較高的硬度和耐磨性。多數(shù)高熵合金的鑄態(tài)組織硬度為 600 ～900HV，相當于或者大于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化后的硬度 ；改變合金元素的含量，還可進一步提高合金的硬度。而且高熵合金還通常表現(xiàn)出很高的耐熱性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在 700 ～1000℃時效處理 72h后，合金硬度非但沒有下降，反而有不同程度的提升。
普通高速鋼，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工溫度在600℃以內，溫度再高，刀具會明顯鈍化。此外，高速鋼刃具在獲得高硬度、高耐磨性的同時，犧牲了鋼材的塑性、韌性。鋼材塑性、韌性較差，則刀具常常出現(xiàn)折斷、崩刃等失效形式。
而高熵合金在獲得高硬度的同時，具有較好的塑性、韌性。例如，F(xiàn)eCoNiCrCuAl0.5經50%壓下率冷壓（即冷壓合金時的塑性變形量達到50％）后，非但沒有出現(xiàn)任何裂紋，反而在枝晶內部出現(xiàn)了納米結構，大小約數(shù)納米到數(shù)十納米［5］，合金硬度得到進一步提升 ；AlCoCrFeNiTi1.5在32%以內的壓下率內冷壓，也表現(xiàn)出非常好的延展性。這么大比例的壓下率，對于高速鋼來說是不可想象的。故而高熵合金應用于高速切削刀具的制造具有明顯的優(yōu)勢。
此外，磁控濺射法制備高熵合金鍍膜的成功，可以在普通鋼制刀具表面鍍上一層高熵合金薄膜，鍍膜厚度在 2.5μm以內。這樣一來，既可以獲得良好的切削加工性能，又能節(jié)約成本。
1.6.2 各類工、模具
高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高強度及優(yōu)良的耐高溫性能、耐蝕性，使之非常適合制備各類工、模具，尤其是擠壓模和塑料模。例如，AlCoCrFeNiTi1.5的抗壓強度高達2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高達1100℃的優(yōu)異抗氧化性能。普通模具鋼則無法兼顧耐磨性、耐蝕性、耐高溫性及良好的塑性。
1.6.3 高爾夫球頭
高硬度、高耐磨性和較低的彈性模量，使高熵合金非常適合制作高爾夫球頭打擊面。高熵合金制成的高爾夫球頭，可以在保證球頭打擊面具有較長使用壽命的同時，將球擊打得更遠，從而提升產品檔次，增加產品附加值。
1.6.4 超高大樓的耐火骨架
美國“9·11”事件中，雙塔的整體坍塌很大程度上是因為大樓骨架鋼筋受熱后強度急劇下降，從而無法負荷大樓重量所致。隨著土地資源的緊缺，國內外修建超高大樓的案例將越來越多，因而超高大樓的耐火安全性正引起人們越來越多的重視。
高熵合金具有極高的抗壓強度和優(yōu)良的耐高溫性能，用做超高大樓的耐火骨架，可以使大樓在發(fā)生意外火災而導致樓體溫度較高時保持原有的承重能力，保證大樓的安全，減少人員和財產的損失。
1.6.5 化學工程、船舶的耐蝕高強度材料
高熵合金的耐蝕性優(yōu)異。室溫條件下，高熵合金Cu0.5NiAlCoCrFeSi在1mol/L的NaCl和0.5mol/L的H2SO4溶液中的耐蝕性比304不銹鋼（相當于我國鋼號中的OCr18Ni9）還要好；CuAlNiCrTiSi合金在5%的HCl溶液中比304不銹鋼更加耐蝕，在10%的NaOH溶液中也遠比A309鋁合金耐蝕。因此，高熵合金可廣泛用于耐高壓、耐腐蝕化工容器及船舶上的高強度耐蝕件。
1.6.6 渦輪葉片
高熵合金良好的塑性使其易于制成渦輪葉片，而其優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性、高加工硬化率及耐高溫性能，可保證渦輪葉片長期、穩(wěn)定地工作，提高服役安全性，減少葉片的磨損、腐蝕失效。
1.6.7 電子器件、通訊領域
高熵合金具有軟磁性及高電阻率，因而在高頻通訊器件中有很大的應用潛力。可用以制作高頻變壓器、馬達的磁芯、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光碟、高頻軟磁薄膜以及喇叭等。
1.6.8 其它
高熵合金集眾多優(yōu)異性能于一身，可以應用的工業(yè)領域非常廣闊。除了上面提到的領域外，高熵合金還可用作焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料等。高熵合金的非晶形成能力較強，某些高熵合金能在鑄態(tài)組織中形成非晶相。而傳統(tǒng)合金要獲得非晶組織，需要極大的冷卻速度將液態(tài)原子無規(guī)則分布的組織保留到室溫。非晶態(tài)金屬的研究是近年來才興起的，由于結構中無位錯，具有很高的強度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性及特殊的磁學性能等，應用也極為廣泛。制備非晶態(tài)高熵合金無疑將進一步擴大高熵合金的應用領域［6］。
1.7 涂層技術
涂層技術是利用制備于碳材料表面的抗氧化涂層隔絕基體與氧化性氣體直接接觸,從而達到抗氧化的目的。這種方法不以犧牲原碳材料自身優(yōu)異性能為代價,且最終制備的復合材料的使用溫度高、壽命長,還可根據(jù)需要設計涂層結構和成分,應用性強。
1.7.1 高溫抗氧化涂層的基本要求
高溫抗氧化涂層作為材料的防護體系,在材料的應用中作為部件的一部分與基體一樣承擔著一定的機械或化學性能,且它的化學物理變化也將影響整體部件的性能。因此在制備抗氧化涂層時必須考慮到應用過程中,環(huán)境因素及涂層結構中各個組成部分的相互影響,用于碳材料的高溫抗氧化涂層應該具有以下幾項基本要求
（1）具有較低的氧氣滲透能力,能夠提供有效的防護屏障,以阻止氧氣在材料外界面和組織結構內部的擴散;
（2）涂層與基體材料之間具有良好的化學與物理相容性、穩(wěn)定性和較高的粘結強度;
（3）涂層不能對氧化反應有催化作用;
（4）涂層具有低的揮發(fā)性,以防止材料在高速氣流中或高溫條件下工作時,涂層自身過度損耗而失效;
（5）涂層不能影響碳材料原有的優(yōu)異機械性能,避免組分間有害的相變發(fā)生,以免影響整體部件性能;
（6）涂層與基體材料之間具有良好的熱膨脹系數(shù)匹配和界面結合能力,以免在熱震或高溫氧化作用下開裂或剝落;
（7）涂層致密,具有高溫自愈合能力,在出現(xiàn)裂紋時能夠封堵裂紋;
（8）具有良好的耐腐燭、耐沖擊性能,能夠滿足各種環(huán)境需求。
1.7.2 高溫抗氧化涂層的種類
到目前為止,國內外對涂層的研究比較廣泛,涂層種類多種多樣,已經研制的碳材料的涂層體系主要有玻璃涂層、金屬涂層、陶瓷涂層、復合涂層。
（1）玻璃涂層
玻璃涂層的抗氧化原理是借助玻璃在高溫下低點度和潤濕性以及熱穩(wěn)性的特點來填補在材料服役時由于機械變形而產生的裂紋。除此之外,玻璃在高溫下具有很好的流動性,在較高溫度下能夠封堵基體材料的孔隙,從而減少碳材料自身的氧化活性點,提高其抗氧化性能。另一方面,娃酸鹽玻璃的氧滲透速率較低,對涂層抗氧化性能的發(fā)揮有促進作用。李賀軍等人開發(fā)的磷酸鹽涂層性能夠滿足700°C的長期使用及900°C的上百次熱震試驗。國外報道的含有 、鋅、鋰、鈉、銅元素氧化物的玻璃涂層的抗氧化能力已達到800°C。但是單層玻璃涂層在很高的溫度下的流動性和揮發(fā)性大大限制了應用,只能用于較低溫度下的氧化保護。
（2）金屬涂層
金屬涂層是利用具有低的高溫氧擴散系數(shù)的高溶點金屬來提高材料的高溫抗氧化性能。來中紅等采用溶楽法在C/C復合材料表面制備Mo-Si系涂層,后經氮氣處理得到Mo-Si-N系抗氧化涂層,其抗氧化溫度達到1400℃。V. S.Terentieva等人成功制備的Mo-Si-Ti合金涂層可以在氧化性氣氛下經受1775℃氧化2h,并且復合材料的性能及形貌不發(fā)生明顯的變化。
（3）陶瓷涂層
陶瓷涂層是利用高溫下Si02或反應生成的Si02來填充涂層中的裂紋等缺陷,作為密封物質來阻擋氧氣的滲入,降低材料的氧氣滲透能力,從而提高基體抗氧化性能。但是由于涂層與基體之間存在熱膨脹差異,單一的陶瓷涂層在高溫下容易產生裂紋,并且裂紋愈合效果不佳,使用受限。
（4）復合涂層
由于單一涂層材料往往難以滿足抗氧化性能的要求,因此涂層成分越來越趨于多元化、復合化。復合涂層能夠彌補單一涂層的眾多缺點,從而得到廣泛的應用。為滿足不同的性能要求,涂層成分更為復雜、更具針對性;在復合涂層中,各單一成分涂層的厚度越來越薄,并逐步趨于納米化;涂層工藝溫度越來越低,涂層工藝向更合理的方向發(fā)展。復合涂層是通過多種單一涂層結合使用充分取長補短,以達到更好的抗氧化效果［7］。
2 熔滲高熵合金試樣的制備
2.1 配制高熵合金
與傳統(tǒng)合金相比,高熵合金是打破以某一元素為主的格局的全新理念合金,呈現(xiàn)多主元化。目前,國內主要通過溶煉、粉末冶金、燒結等方法制備高摘合金,可選用的元素相當廣泛,主要包括第四周期元素及Ge、Mo、Hf、Ag、B、Si等元素,有些學者把稀土元素作為添加劑加入到高摘合金中去,從而研究稀土元素對高炮合金性能、晶體結構及顯微組織的影響,有利于推動高熵合金的發(fā)展。
本實驗主要是對Al-Cr-Co-Fe-Ni-Mo-Ti-Si(摩爾比為1:1:1:1:1:1:0.75:0.25)八組元高熵合金和Al-Cr-Co-Fe-Ni（摩爾比為1:1:1:1:1)五組元高熵合金的顯微組織、晶體結構、力學性能進行實驗分析。
2.1.1 合金元素的選擇及合金成分的設計
本文選用Al、Cr、Co、Fe和Ni五種元素,所選原材料均為高純金屬材料,其中Cr、Co、Fe、Ni四種元素為第四周期的副族元素,原子尺寸相近,有利于形成無限固溶體,合金自由能趨于最低,結構最為穩(wěn)定,第三周期A1元素的原子半徑較大,并且其固溶度隨著溫度變化,在高溫和常溫下對其它元素固溶度的差異較大,A1元素的加入,可能引起合金的晶體結構發(fā)生畸變,產生固溶強化現(xiàn)象[8]。隨后，我們又加入Ti、Mo和Si元素配制成八主元高熵合金。對這倆種高熵合金進行實驗研究。
2.合金成分設計及配料
實驗試樣制備
硬度測試
金相組織觀察
1.2 工藝路線
圖 2.1 高熵合金工藝路線
2.1.3 實驗步驟及過程
在制備高熵合金之前，根據(jù)元素摩爾質量以及摩爾比換算出八組元高熵合金AlCrCoFeNiMoTiSi和五組元高熵合金AlCrCoFeNi所需稱量的純金屬的質量。具體做法見表2.1和表2.2
表2.1 AlCrCoFeNi合金中各元素質量
Al
Cr
Co
Fe
Ni
摩爾質量（g/mol）
27
52
59
56
58.7
物質的量（mol）
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
質量（g）
13.5
26
29.5
28
29.35
表2.2 AlCrCoFeNiMoTiSi合金中各元素質量
Al
Cr
Co
Fe
Ni
Mo
Ti
Si
摩爾質量（g/mol）
27
52
59
56
58.7
96
48
28
物質的量（mol）
1
1
1
1
1
1
0.75
0.25
質量（g）
27
52
59
56
58.7
96
36
7
使用TN-100C型托盤扭力天平稱量凈化后的高純金屬粉末，將稱好的各元素金屬放到干凈的鐵盒子里，用XSB—88型標準振篩機（見圖2.2）充分搖勻。將搖勻的高熵合金粉末裝入玻璃瓶中貼標簽保存，以供后續(xù)實驗使用。按照上述方法分別配制好AlCrCoFeNiMoTiSi和AlCrCoFeNi合金。
圖2.2 XSB—88型標準振篩機
表2.3 技術參數(shù)
篩具最大直徑
200MM
篩層疊高
400MM
回轉半徑
12.5MM
篩搖動次數(shù)
221
震擊次數(shù)
147
上下震幅行程
5MM
定時范圍
0-60分鐘
電動功率
0.37KW
電壓
380V
轉速
2800
重量
78KG
2.2 粘結劑的配制
粘結技術是一門獨立的邊緣學科.它采用新材料.新工藝.是現(xiàn)代科學技術的一門新技術。它其有快速、牢固、經濟及節(jié)能等特點?？纱娌糠帚T接、焊接和機械裝配等煩瑣工藝，既節(jié)省時間、費用，同時對提高產品質量和提高勞動生產率起很大作用。
2.2.1 粘結劑的概念
粘結技術使用的材料是粘結劑，又稱膠粘劑或粘合劑。它是既能把同種材料粘結在一起，也能將性質截然不同的兩種材料枯結在一起。
2.2.2 粘結技術的特點
與鉚接、焊接、螺釘連接方法相比，粘結技術具有的優(yōu)點是:可以粘結不同性質的材料和不能用鉚、焊方法連接的金屬薄板箔以及微型、異型等復雜工件;粘結接頭應力分布均勻，有良好的抗疲勞強度;整個粘結接頭部分都承受負荷，因此力學強度較高;粘結接頭具有優(yōu)良的密封、絕緣和抗腐蝕性能，同時還能防止金屬發(fā)生電化學腐蝕;粘結工藝溫度低。
與鉚接、焊接、螺釘連接方法相比，粘結技術的缺點是:粘結接頭抗剝離強度、不均勻扯離強度和沖擊韌度較低;粘結質量檢查困難;枯結劑的老化問題，耐熱性差等。
2.2.3粘結劑的組成
天然粘結劑的組成比較簡單，合成粘結劑大多是由多致成分混合配制而成。這些組成按其作用不同一般分為:基料、固化劑與硫化劑、增塑劑與增韌劑、稀釋劑與溶劑等.有的還加人其他附加劑。本實驗選用松香和松節(jié)油以1:3比例配制粘結劑。
2.2.4 粘結劑的配制方法
（1）將固體松香打碎、碾磨成粉末，并用篩子篩出細小均勻粉末。
（2）用TN-100C型托盤扭力天平按1:3比例稱量所需松香和用量筒量取松節(jié)油。
（2）將松香緩慢的加入松節(jié)油中，并不斷攪拌至飽和溶液。可適當加熱，加快松香溶解速度。
2.3 熔滲高熵合金試樣的制備
金相試樣制備是通過取樣、磨光、拋光、侵蝕等步驟，使材料成為具有金相觀察要求的過程。制備的試樣必須具有清晰的視場和真實的組織形貌，為此必須采取一系列的措施以避免出現(xiàn)假象。如淬火試樣在制備過程中表面產生局部過熱而回火，或非淬火試樣表面局部過熱而淬火，都會使組織失真。拋光不當會造成夾雜物、石墨等的脫落，在試樣表面上留下點坑或拖尾。拋光不當還可能使試樣表面產生變形而干擾了組織的真實形貌。因此，試樣制備是非常重要的，試樣的選取也必須具有代表性。一般按研究內容或檢驗標準(UB/T 13298一1991《金屬顯微組織檢驗方法》)的規(guī)定選取并制備試樣。
取樣
磨光
拋光
侵蝕
圖2.3 金相試樣制備工序
2.3.1 常規(guī)金相試樣的制備
（1） 試樣的磨光與拋光
一般手工磨光操作過程如圖2.4所示。在磨光和拋光過程中，要特別注意的是:
圖2.4 手工磨制試樣示意圖
①手工細磨時，不管砂紙粗細，試樣磨過之后，砂紙上留下的整個痕跡顏色深淺要一致、寬度和試樣磨面大小相同，不要有弧線的痕跡出現(xiàn)。只有這樣才有可能保證整個磨面的平整，減少試樣倒棱現(xiàn)象，為組織評定，特別是表面處理表層組織評定打下良好基礎。
②拋光織物和拋光微粉的選擇根據(jù)各實驗室實際條件的不同以及操作者的習慣而定。Cr2O3水懸浮液中滴幾滴鉻酸酐水溶液并和呢子配合拋光鑄鐵試樣，能很好的顯現(xiàn)石墨的顏色、形態(tài)。用帆布拋光表面處理的試樣，倒棱較小。帆布和Al2O3配合拋光鋁合金試樣，效果較好。金剛石高效噴霧劑和呢子配合，拋光所有的試樣，特別是硬度較高的試樣，如淬火以及淬火回火試樣，拋光時間短，2 min左右就可以使試樣表面劃痕基本去除。如果用不同的拋光盤分別對試樣進行粗拋(使用W3.5高效噴霧劑)、精拋(用W1高效噴霧劑)，效果更佳。試樣拋光時間一般在3~5 min為宜。時間太短，磨光時留下的劃痕不能完全消除。時間太長，試樣表面會由于硬粒子的脫落產生凹坑，對于材料較軟的試樣，有可能產生新的劃痕，就需要重新磨光。
③拋光試樣的自檢。拋光好的試樣，在自然光源下閃動并目測試樣表面的劃痕方向，如果劃痕在試樣中心并互相平行，說明拋光不徹底，需要繼續(xù)拋光;如果劃痕是互相垂直的，說明磨光時后一道砂紙沒有把前一道砂紙留下的劃痕完全消除，若劃痕比較深并且很粗，試樣就需要重新磨光;如果試樣表面劃痕雜亂無章，說明拋光時產生了新的劃痕，需要把拋光布取下清洗干凈再使用。
（2） 試樣的侵蝕
試樣侵蝕的時間長短和材料、處理狀態(tài)、侵蝕劑的新舊程度等有關。侵蝕時間太短，顯微組織不能有效的顯示出來。侵蝕過度，顯微組織又模糊不清，對正確鑒別及準確評定顯微組織都有很大的影響。侵蝕合適的試樣，其顯微組織應該一目了然，觀察時給人一種清新舒適的感覺。
化學擦拭法侵蝕試樣的一般步驟為:水沖洗拋光試樣→擦酒精→試樣侵蝕→水沖洗試樣→擦酒精→吹干。第一道擦酒精是利用其浸潤性，使侵蝕劑和試樣表面作用以達到侵蝕的目的;第二道擦酒精是利用其揮發(fā)性，使試樣表面的酒精很快蒸發(fā)以達到干燥的作用。試樣侵蝕后的顯微組織是否清晰，還和侵蝕時第二道擦酒精有著密切的關系。
對于鐵碳合金平衡組織來說，含碳量依次由低到高，侵蝕時間由長到短(工業(yè)純鐵的時間在20s左右，共析鋼以上的碳鋼的時間在10s左右即可)，試樣表面的顏色變化由銀灰色到花色(其他熱處理的碳鋼試樣約10s左右，顯微組織顏色為深灰色)。具體操作方法為:水沖洗試樣、擦酒精，然后把拋光好的試樣表面傾斜約450，用蘸有侵蝕劑的棉球擦拭試樣表面，不斷觀察其顏色的變化并在心里默計時間長短，確認侵蝕時間己到，立即用流動水沖洗試樣，再擦酒精(這道工序是試樣表面干凈與否的關鍵)，用蘸有酒精的棉球自上而下慢慢擦拭侵蝕過的試樣表面，稍微用力(主要是擠出棉球中的酒精)，一邊擦拭，酒精一邊揮發(fā)，當試樣表面擦拭完畢，酒精應在極短時間內完全揮發(fā)，然后先用電吹風的涼風吹干試樣表面，再用熱風把試樣周圍吹干，最后置于光學顯微鏡下觀察組織[9]。嚴禁把表面潮濕的試樣放在顯微鏡下。
電吹風吹干試樣時，由于其風力小，所以需要的時間較長。如果試樣表面遺留較多的酒精，對于初學者來說，吹干后的試樣在觀察時常常會發(fā)現(xiàn)有一層淡藍色的薄膜或個別的花斑覆蓋在顯微組織上，這是酒精未能及時揮發(fā)而粘附在試樣表面的結果。要徹底消除這種現(xiàn)象的發(fā)生可采取如下措施:對于有條件的實驗室，可購置一臺小型空壓機，用壓縮空氣代替第二次擦酒精及電吹風吹干試樣這兩個步驟，不但可以節(jié)約無水乙醇，還可使試樣在瞬間干燥，并能有效防比試樣表面產生花斑。經實踐驗證，這種方法對所有的金相試樣都有較好的效果。其操作步驟是:水沖洗拋光試樣一擦酒精一涂侵蝕劑一水沖洗試樣一空壓氣泵吹干試樣。由于從空壓機噴嘴出來的空氣壓力大，風力也大，所以可以使試樣瞬間干燥，防止了一些制樣缺陷的產生[10]。
2.3.2 20鋼熔滲高熵合金試樣的制備
本次研究所用基體試樣是直接買的實驗試樣，是已經切好的基體，所以不需要取樣這一步。
（1） 用砂紙打磨基體試樣，目的是去除表面氧化層，待試樣表面光亮潔凈即可。
（2） 將打磨好的基體試樣放在煤油中清洗，最后再用吹風機將基體材料徹底吹干。
（3） 將配制好的高熵合金粉末和粘結劑調成牙膏狀，均勻的涂抹在基體材料的表面上，涂層的厚度限制在1.0~2.0 mm之間。涂抹完成后要保證涂層平整，沒有涂層缺陷或涂層流失的現(xiàn)象。
（4） 把涂抹好的基體放入GQ70B型電熱恒溫干燥箱（見圖2.5）加熱烘干，烘干溫度控制在100C，烘干時間8h。
（5） 利用熱處理爐加熱熔滲工藝對試件加工處理。
（6） 利用感應加熱熔滲高熵合金工藝對試件進行處理。
（7） 粗磨。用粗砂紙打磨基體表面，待試樣表層平整、磨痕均勻一致后，粗磨即告完成。
（8） 細磨。用由粗到細的各號砂紙打磨基體表面，直至轉盤徑向往復移動，直至被磨制平面上僅有單一方向的磨痕為止，至此，更換更細的砂紙，進一步磨制。待基體表面光亮無明顯劃痕后，細磨完成。細磨的目的是將粗磨留下的較深磨痕去掉，為拋光工序做好準備。注意，每次更換砂紙后，新的磨制方向必須保證與舊磨痕的方向垂直。當舊磨痕完全去除后更換下一道砂紙，如此反復。一般而言，試樣磨制從240#到600#砂紙就可以了。
（9） 拋光。用PG—2D型金相試樣拋光機（見圖2.6）拋光試樣。拋光是為了消除試樣細磨時在磨面上留下的細微磨痕，使之成為光亮無痕的平整鏡面[11]。拋光的方法有機械拋光、電解拋光、化學拋光等，其中，機械拋光是現(xiàn)階段應用最廣泛的拋光方法。拋光步驟分為粗拋和精拋兩步。拋光織物和磨料的選擇應隨被檢試樣材質及檢驗目的不同而不同。如拋光較硬的材料—鋼鐵，粗拋常用帆布、呢綸等。精拋則用短毛細軟呢絨等。尤其是分析鋼中夾雜物或鑄鐵中石墨時，不能使用長毛呢絨，用長毛呢絨拋光會產生:“曳尾”現(xiàn)象，使夾雜物和石墨易于拋掉，無法確切檢驗。對較軟的金屬和合金要用軟的織物。理想的拋光磨料應具有高的硬度，至少等于被拋光材料的硬度，且力度分級細致，尺寸均勻。檢驗中，金剛石磨料是目前使用最廣泛的。拋光時，應確保試樣磨面與拋光盤平行并均勻地輕壓在拋光盤上，注意避免試樣飛出和因壓力過大而產生新磨痕。試樣沿轉盤徑向往復移動時還應自轉，以免拋光織物局部磨損和出現(xiàn)“曳尾”。在拋光過程中要保證濕度適中，濕度太大會減弱拋光的磨削作用，使試樣中較硬相呈現(xiàn)浮凸，更會使鋼中非金屬夾雜物及鑄鐵中石墨相產生“曳尾”現(xiàn)象。濕度太小時，潤滑作用減小，磨面失去光澤，甚至出現(xiàn)黑斑，輕合金則可能拋傷表面。當拋光面沒有磨痕明亮如鏡時，拋光完成。否則繼續(xù)拋光直至磨痕完全消除為止。
（10） 腐蝕。試樣在硝酸酒精溶液（HNO3含量為4%）中腐蝕。腐蝕的目的是將金屬的顯微組織顯現(xiàn)出來。常用金相組織顯示法有化學腐蝕法、電解腐蝕法、金相組織特殊顯示等。試樣腐蝕是較為關鍵的，腐蝕過淺或過深、表面不干凈，特別是有石墨存在的鑄鐵，試樣表面很容易產生花斑，這些都會使顯微組織特征不明顯，增加顯微組織評定困難。金相試樣腐蝕的一般步驟為:水沖洗試樣一擦酒精一涂腐蝕劑一水沖洗試樣一擦酒精一吹干。試樣腐蝕時間長短及腐蝕劑的選擇視材質的不同來確定。如果腐蝕效果不理想，應將試樣從粗磨步驟開始重新制樣，直至能清晰顯示出顯微組織[12]。
表2.5 技術參數(shù)
拋盤直徑
220mm
轉速
700r/min~900r/min
電動機
YS7116 0.2kW 380V（220V 定制）50Hz
外形尺寸
800×520×940mm
重量
73kg
圖2.6 PG—2D型金相試樣拋光機
圖2.5 GQ70B型電熱恒溫干燥箱
表2.4 GQ70B型電熱恒溫干燥箱
電流
9.1A
容積
35×45×45CM
誤差
±1℃
電壓
220V
電功率
2000W
溫度范圍
50~250℃
圖2.6 PG—2D型金相試樣拋光機
表2.5 拋光機技術參數(shù)
拋盤直徑
220mm
轉速
700r/min/900r/min
電動機
YS7116 0.2kW 380V（220V 定制）50Hz
外形尺寸
800×520×940mm
重量
73Kg
3 20鋼基體熔滲高熵合金工藝研究
3.1 20鋼的定義
20鋼的20是指含碳量，含碳量為0.2%，屬于低碳鋼。
鋼中可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。低碳鋼含碳量一般小于0.25%；中碳鋼含碳量一般在0.25～0.60%之間；高碳鋼含碳量一般大于0.60%。鋼中除含有碳(C)元素和為脫氧而含有一定量硅(Si)(一般不超過0.40%),錳(Mn)(一般不超過0.80%,較高可到1.20%)合金元素外,不含其他合金元素(殘余元素除外)。含碳量低于2.1%為鋼，含碳量高于2.1%為鐵。鋼中含碳量越高其韌性越差，鐵中含碳量越高其韌性越好。
3.2 20鋼材料的成分
表3.1 20鋼各元素含量
元素
碳
（C）
硅
（Si）
錳
（Mn）
硫
（S）
磷
（P）
鉻
（Cr）
鎳
（Ni）
銅
（Cu）
含量
（%）
0.17%～0.24%
0.17%～0.37%
0.35%～0.65%
≤0.035%
≤0.035%
≤
0.25%
≤
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