孪晶界对高熵合金力学行为影响的模拟研究

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高熵合金(HEAs)是近年来采用多主元混合法发展起来的新型合金材料,通常由5种或5种以上近等摩尔比的元素组成。HEAs的多主元特性,使得其具有异于传统单一主元合金的结构特征,表现出抗辐照、抗氧化、抗腐蚀、耐高温、组织稳定等优异性能,因而具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。另外,HEAs的高熵效应在减少合金相的形成方面起到了重要的作用,使得HEAs主要由单一的固溶体结构组成。元素半径的差异也造成了HEAs的化学无序和点阵畸变,使其呈现出独特而优越的力学性能。然而,大量的研究发现,单一面心立方(FCC)结构的HEAs具有优异的塑性变形能力,但强度通常相对较低,这严重限制了FCC结构HEAs的广泛应用。为了获得高强度高塑性的FCC结构HEAs,研究人员展开了对单相FCC结构HEAs的深入研究。相关研究发现,在单相FCC结构HEAs基体中引入纳米孪晶结构是大幅度提高强度而不牺牲优良塑性的有效途径。因此,阐明孪晶界对FCC结构HEAs的力学性能和变形机制的影响,对于设计和制备高性能的FCC结构HEAs具有重要的指导意义。本文建立了具有不同孪晶界间距的纳米孪晶FCC结构HEAs模型,基于分子动力学模拟方法系统的研究了在单轴拉伸载荷下,孪晶界间距和元素浓度对纳米孪晶HEAs力学性能和变形机制的影响。本文的主要研究内容如下:(1)研究了纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14HEA在拉伸载荷下的力学性能,揭示了孪晶界对纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14HEA力学性能和变形行为的影响。研究结果表明,纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14HEA的屈服强度随着孪晶界间距的减小而增大,呈现Hall-Petch关系。然而,孪晶界间距存在一个临界值,使得纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14HEA的屈服强度在该值前后对孪晶界间距的敏感度发生了明显改变。研究指出,随着孪晶界间距的减小,纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14HEA的变形机制发生了从以位错滑移主导到以非晶化相变为主的转变。(2)研究了孪晶界间距和Ni元素浓度对纳米孪晶(Co Cr Fe Cu)1-XNi XHEA在拉伸载荷下的力学性能和变形行为的影响。结果表明,随着孪晶界间距的减小,纳米孪晶(Co Cr Fe Cu)1-XNi XHEA的平均流动应力由Hall-Petch强化转变为反Hall-Petch软化。当孪晶界间距大于临界值时,塑性变形机制以不全位错的滑移为主。然而,当孪晶界间距小于临界值时,塑性变形机制转变为非晶相诱导的空洞形成机制,这成为纳米孪晶(Co Cr Fe Cu)1-XNi XHEA软化的关键因素。研究指出,通过调整Ni元素的浓度,纳米孪晶(Co Cr Fe Cu)1-XNi XHEA的力学性能可以发生由软化向强化的转变,这与(Co Cr Fe Cu)1-XNi XHEA的层错能变化密切相关。此外,本文还详细讨论了纳米孪晶(Co Cr Fe Cu)1-XNi XHEA的塑性变形机制和空洞形成机制。
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