Al_xCoCrFeNi高熵合金凝固及力学性能的分子动力学模拟

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高熵合金作为近年出现的新型金属材料,因其具有高强度、高硬度、耐高温及耐磨等一系列独特的性能,使高熵合金获得了越来越多的关注。本文采用分子动力学模拟的方法,对AlxCo Cr Fe Ni高熵合金在不同冷却速率下的径向分布函数以及凝固后的微观组织结构进行对比分析,研究了不同温度、不同应变率及Al元素含量对该体系高熵合金力学性能的影响规律。得到的主要结论有:模拟得到AlxCoCrFeNi高熵合金在1.0×1011K/s的冷却速率下径向分布函数呈现出明显的晶体特征。Al0.1Co Cr Fe Ni高熵合金在1.0×1011K/s的冷速下凝固后主要的晶体结构为面心立方结构和晶界处的密排六方结构(FCC+HCP),其比例为96.8%;Al0.3Co Cr Fe Ni高熵合金其主要晶体结构依然为FCC+HCP,但比例降至84.9%;随着Al含量的增加,Al0.5Co Cr Fe Ni、Al0.7Co Cr Fe Ni高熵合金凝固后的主要晶体结构不仅存在FCC,还出现了体心立方(BCC),对于Al0.5Co Cr Fe Ni高熵合金,其FCC占32.1%,BCC占36%;Al0.7Co Cr Fe Ni高熵合金的FCC、BCC占比均在30%左右;当Al含量继续增加时,Al0.9Co Cr Fe Ni高熵合金凝固后BCC急剧增加至77.3%;Al1.1Co Cr Fe Ni高熵合金凝固后BCC增加到81.8%;由此得知Al含量增加促进了BCC相的形成;由Ovito观察其相结构可得Al0.1Co Cr Fe Ni高熵合金为单一FCC相,Al0.5Co Cr Fe Ni高熵合金为FCC+BCC双相组成,Al1.1Co Cr Fe Ni高熵合金为单一BCC相。模拟不同温度下A1xCoCrFeNi高熵合金拉伸的力学性能时,A10.1Co Cr Fe Ni高熵合金在拉伸载荷的作用下,其应力应变曲线经历了近似线性变化的弹性变形阶段,至峰值应力后快速下降,随着变形的进一步加剧,体系进入漫长的塑性变形过程直至断裂,同时在300K计算所得的杨氏模量为93.5717GPa。从原子结构的变化来看,当ε为0.067左右时屈服应力达到峰值4.224GPa,当ε为0.211和0.277时,在应力应变曲线中对应的部分是屈服应力下降及材料出现不均匀塑性变形的阶段。随着拉伸的继续,体系最后在ε达到0.539时发生断裂。当Al含量一定时,温度与A1xCo Cr Fe Ni高熵合金的杨氏模量和屈服强度呈负相关,近似线性下降。当温度一定时,随着Al含量的升高该体系高熵合金的杨氏模量和屈服强度随之增大,且Al含量越高,杨氏模量增大的幅度越大。模拟不同应变率下A1xCoCrFeNi高熵合金拉伸的力学性能时,应变率越高,体系拉伸过程达到峰值的速度越慢,即弹性变形阶段随着应变率的升高而相对应的变长。当Al含量一定时,应变率与A1xCo Cr Fe Ni高熵合金的屈服强度呈正相关,近似线性上升;但应变率的变化对杨氏模量的影响微乎其微。当应变率一定时,随着Al含量的升高该体系高熵合金的杨氏模量随之增大;Al含量越高,相对的屈服强度越大。
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