Page 24 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 柏伟, 等: (CuMnNi) 100-x Al x 高熵铜合金的显微组织、力学与摩擦学性能研究 613

表 2 (CuMnNi) 100-x Al x 系列高熵铜合金中原子对的混合焓 熵铜合金的强度也具有显著的提升作用. 由图4(b)可
△H mix /(kJ/mol)
见，CuMnNi高熵合金具有良好的塑性变形能力，其压
Table 2 Mixing enthalpy △H mix /(kJ/mol) of atompair in
缩断裂应变高于50%，但屈服强度仅为285 MPa. 添加
(CuMnNi) 100-x Al x high entropy bronzes
Al元素后，高熵铜合金的屈服强度和抗压强度大幅提

△H mix /(kJ/mol) of atompair
Elements 高，且随Al含量提高逐渐增加并在x为10时达到最高.
Cu Mn Ni Al
Cu − 4 4 −1 CuMnNi高熵合金优异的塑性是由于该合金仅由FCC
Mn 4 − −8 −19
相构成，由于FCC相中的滑移系和晶体结构的对称性
Ni 4 −8 − −22
均高于BCC相，当应力超过其弹性极限时晶体中易开
Al −1 −19 −22 −
动位错滑移，使合金发生均匀的塑性变形，但也造成
成并稳定存在的主要原因. 由于FCC相塑性和韧性较 其强度较低. Al原子固溶后加剧了FCC相的晶格畸变
好，BCC相硬度大且强度高，这种塑性相和硬质相相 程度，能够有效阻碍位错滑移，进而提高其强度和硬
匹配的结构将有利于促进高熵铜合金的强度、塑性和 度. 同时，高强度BCC相的形成使(CuMnNi) Al 和
95
5
[16]
韧性改善 . (CuMnNi) Al 两种合金的强度进一步提升. 如图4(c)
10
90

2.2 力学性能 所示，高熵铜合金的断裂应变随Al含量提高而下降，
图4为(CuMnNi) 100-x Al 系列高熵铜合金的密度、 这是由于BCC相中的滑移系较少，使其对裂纹失稳扩
x
硬度、压缩力学性能和断裂韧性. 如图4(a)所示，由于 展的抑制能力低于FCC相，因此，组织中BCC相的含
Al元素密度较小，高熵铜合金的密度随Al含量增加不 量提高必然导致合金的断裂应变降低. 此外，过高的
断减小，但合金的硬度却呈现递增的趋势. Al原子的 Al含量会引起熔炼时的氧化现象加重，生成的氧化物
固溶强化效应和硬质BCC相的形成是引起合金的硬 降低组织的均匀性同时也增加了铸造缺陷，这是
度随Al含量提高而逐渐增加的主要原因，同时其对高 (CuMnNi) Al 高熵铜合金力学性能急剧恶化的重要
85
15
500 12 2 000
(a) Hardness (b) Al 0
400
Density Al 5
300 Al 10
10 1 500 Al 15 C
200
Hardness/HB 100 8 Densigy/(g/cm 3 ) Stress/MPa 1 000 B
50

6 500
25 A
D
0 4 0
0 5 10 15 0 10 20 30 40 50
Al concentration (the x value) Strain/%

2 500 2 500 60 30
(c) Yield strength (d)
Compressive strength
2 000 Fracture strain 2 000 50 25
Yield stress/MPa 1 500 1 500 Compressive stress/MPa 30 Fracture strain/% Fracture toughness/(MPa·m 0.5 ) 15
20
40
1 000
1 000
500 500 20 10 5
10
0 0 0 0
0 5 10 15 0 5 10 15
Al concentration (the x value) Al concentration (the x value)

Fig. 4 Hardness and density (a), compressive stress-strain curve (b), yield strength, compressive strength and fracture strain (c) and
fracture toughness (d) of (CuMnNi) 100-x Al x high entropy bronzes with different Al content
图 4 (CuMnNi) 100-x Al x 系列高熵铜合金的硬度和密度(a)，压缩应力-应变曲线(b)，屈服强度、抗压强度和断裂应变(c)和
断裂韧性(d)随Al含量的变化规律