双相高熵合金强韧化机制的分子动力学研究

作     者：李芮宁 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋海洋;邓琼

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：高熵合金 力学性能 双相合金 变形机制 分子动力学模拟 

摘      要：高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)开创了金属材料的全新领域,HEAs采用多种主要元素为基本组元,打破了传统合金以单一元素为主的设计理念,它们的组织和性能在很多方面都有别于传统合金。HEAs具有优异的力学性能、耐腐蚀性、耐高温等性能,因此成为未来最有发展潜力的新型材料之一。HEAs的晶体结构通常为简单的面心立方结构(FCC)、体心立方结构(BCC)以及密排六方结构(HCP)。然而,单相的HEAs通常具有强度-延性权衡效应,如单相FCC结构的HEAs有优异的塑性变形能力,但强度相对较低,会大大限制FCC结构HEAs的广泛应用。为了获得高强度高塑性的HEAs,研究人员做出了很多努力并取得了相应的结果,研究发现引入第二相结构可以打破强度-延性权衡效应,其中,晶体/非晶双相HEAs和FCC/HCP双相HEAs都可以在提高材料强度的同时不损失其塑性。因此,本文系统研究了在晶体相中引入非晶相对FCC结构的HEAs的力学性能和变形机制的影响,并且阐明了在FCC/HCP双相HEAs中位错与HCP结构的相互作用机制,该研究对于设计和制备更高性能的双相HEAs提供理论依据。本文的主要研究内容和研究结论如下:(1)在晶体中引入非晶相可以有效地改善晶体HEAs的力学性能。本文通过分子动力学模拟,研究了在单轴拉伸下,通过改变非晶相厚度、晶粒尺寸和元素含量来探究这些因素对晶体/非晶双相HEAs变形机制和力学性能的影响。结果表明,由于晶体相与非晶相的协同作用,在HEAs晶体中引入非晶相可以改善HEAs的力学性能。结果指出,双相HEAs的屈服应力和平均流动应力大于单相多晶HEAs,是由于晶体/非晶界面的稳定性和剪切带的形成对非晶相尺寸的依赖性。随着非晶相厚度的增加或晶粒尺寸的减小,HEAs的塑性变形机制逐渐从晶体相中的位错滑移转变为以非晶相为主的剪切带运动。研究发现,改变晶体相的组分含量不仅可以提高HEAs的强度,而且可以在一定程度上提高其塑性,从而获得具有高强度和良好塑性的HEAs。(2)近年来,FCC/HCP双相结构是实现HEAs的高强度高塑性而提出的一种新的设计策略。本文通过分子动力学模拟研究了FCC/HCP双相结构CoCrFeMnNiHEAs中HCP相厚度、应变速率和温度对螺位错与HCP相相互作用机制的影响。结果表明,位错与HCP结构之间存在两种相互作用机制:一种是位错穿透HCP结构,即穿透机制,另一种是位错被HCP相吸收,即吸收机制。这两种机制的产生主要取决于HCP结构防止位错滑移的相对能力,这与HCP结构的厚度、应变率和温度密切相关。当HCP结构阻挡位错的相对能力较大时,位错与HCP结构之间的相互作用呈现吸收机制;否则,它呈现出穿透机制。该研究可为新型高性能HEAs的开发和设计提供理论指导,以实现材料的高强度和高延性。