基于分子动力学模拟的Al0.3CoCrFeNi高熵合金纳米压痕研究

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高熵合金作为近二十年来出现的新型金属材料,比传统合金有着诸多优异的力学性能,被科研工作者认为在诸多领域都极具应用潜力。高熵合金器件在实际服役中将不可避免地产生外加载荷,使其产生塑性变形。尤其是在承受循环载荷作用时,材料产生的疲劳损伤将影响器件在使用过程中的可靠性及寿命。因此,开展高熵合金的塑性变形行为及其变形机理研究有着重要的工程和经济意义。近年来,国内外学者已开展了较多高熵合金变形行为研究。然而,目前高熵合金塑性变形机理仍多为实验方面的研究,对原子尺度的塑性变形机理研究较少。针对Al0.3CoCrFeNi高熵合金在单次加卸载下的塑性变形机理和循环加卸载下的劣化机理,本文开展了以下研究:(1)通过对Al0.3CoCrFeNi高熵合金在单次加卸载下纳米压痕的分子动力学模拟,研究了Al0.3CoCrFeNi高熵合金在原子尺度的塑性变形机理,分析了环境温度、压入速度以及晶体结构对Al0.3CoCrFeNi高熵合金纳米压痕力学性能的影响。模拟结果表明:塑性屈服引起的材料软化以及Stair-rod不全位错和Hirth不全位错引起的应变硬化相互作用导致载荷-位移曲线呈现锯齿形的波动。随着压痕深度的增加,塑性变形区域向外扩展,表面堆积的原子不断增加。Shockley不全位错首先在Al0.3CoCrFeNi高熵合金中形核,并诱导堆垛层错的形成。由于受到晶格畸变的影响,Shockley不全位错和堆垛层错沿{111}平面以不完全四重对称的形式生长和滑移。随后的位错-位错相互作用导致了全位错、Stair-rod不全位错、Hirth不全位错、Frank不全位错等不同类型的位错和位错环的相继形成。Shockley不全位错和堆垛层错的增殖和滑移是塑性变形的主要机制。在低温下,孪晶、HCP相和Lomer-Cottrell锁阻碍位错运动使得材料强度增加。随着温度的升高,非晶结构增加并限制位错的生长滑移,导致材料强度减小。在较大的压入速度下,大量位错缠结诱发的高密度的位错胞阻碍位错滑移,导致Al0.3CoCrFeNi高熵合金产生显著的强化效应。晶界和孪晶界在纳米压痕中会阻碍位错和堆垛层错生长和滑移,对纳米多晶和纳米孪晶多晶Al0.3CoCrFeNi高熵合金的塑性变形有显著影响。(2)研究了循环加卸载过程中的Al0.3CoCrFeNi高熵合金纳米压痕的循环劣化(即卸载后残余深度的循环累积现象)及其在原子尺度下的变形机理,讨论了峰值载荷、环境温度、压入速度和晶体结构对Al0.3CoCrFeNi高熵合金循环纳米压痕的循环劣化的影响。模拟结果表明:Al0.3CoCrFeNi高熵合金循环纳米压痕表现出明显的循环劣化现象。循环压痕卸载后的残余深度随循环次数增加而增加。循环纳米压痕加卸载中单晶Al0.3CoCrFeNi高熵合金残余深度的累积主要是由位错滑移以及残余HCP结构和无序结构的累积引起。残余深度的大小依赖于设定的峰值载荷、环境温度和压入速度。单晶Al0.3CoCrFeNi高熵合金循环纳米压痕卸载后的残余深度随峰值载荷和环境温度增加而增加,随压入速度增加而减小。对于多晶结构,除压痕附近的位错反应外,晶界的滑移和扩散也是Al0.3CoCrFeNi高熵合金在循环压痕加卸载中残余深度累积的原因。
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