NiCoCr中熵合金原子结构和性质的分子动力学研究

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自高熵合金(High entropy alloy,HEA)概念提出以来,人们对高熵合金(HEA)的结构和力学性能进行了深入的研究。高熵合金(HEA)的结构并没有因其含有多种元素而变得复杂。相反,高熵合金(HEA)为简单固溶体结构,如体心立方(body-centered cubic,BCC)、面心立方(face-centered cubic,FCC)、密排六方(hexagonal close-packed,HCP)和其它混合结构。高熵合金(HEA)独特的结构,使其展现出十分优越的物理化学性能。基于高熵合金的发现,中熵合金开始进入人们的视野,同样因其特殊的结构和性能吸引着大量的研究人员。因此,高、中熵合金的结构研究对深入理解高、中熵合金结构-性能的关联有着重要意义。本文选取NiCoCr中熵合金为研究对象,通过经典分子动力学方法探究NiCoCr中熵合金的原子结构、动力学性质和力学性能。首先探究了冷速和压强对NiCoCr中熵合金的结构影响;研究高压对NiCoCr中熵合金熔体结构和动力学影响;最后探究化学序对NiCoCr合金力学性能的影响。首先探究不同冷速下NiCoCr中熵合金的冷却过程。随着冷速的降低,结晶温度逐渐升高,液态结构有足够的时间形核长大,使得NiCoCr合金的晶体含量逐渐增加。不同冷速下双体分布函数分析表明,NiCoCr合金中Ni-Ni原子间的结合力非常强,且原子间的结合力随着冷速的下降略微增强。键对分析表明1421、1422和1431键对在NiCoCr中熵合金中数量较大,三种键对的含量都随着冷速的降低而增加。接着,对高压下NiCoCr中熵合金的冷却过程的探究发现,随着压强的增加结晶温度升高。双体分布函数分析表明压强使得NiCoCr合金原子间的结合力增强,体系结构更加紧密。配位数分析表明,Cr-Cr原子间更倾向于分离,且倾向性随着压强的增加而增加。对不同晶型的NiCoCr探究表明,FCC-NiCoCr和HCP-NiCoCr晶体的熔点分别为1400K和1440K。通过建立特殊结构的NiCoCr模型探究了NiCoCr对两种晶型的稳定性。结果表明NiCoCr合金中HCP结构为低温稳定相,FCC结构为高温稳定相。探究了高压对NiCoCr熔体结构和动力学性质的影响。通过双体分布函数分析表明,NiCoCr熔体原子间的结合力随压强的增加而增加。配位数分析表明,熔体的配位数随着压强的增加而增加。键对分析表明,在压强的作用下1551、1441和1661等饱和键对含量增加。通过均方位移曲线、弛豫函数、扩散系数、弛豫时间和扩散激活能等参数表征NiCoCr熔体原子的动力学性质,研究发现随着压强的增加,体系的扩散系数减小、弛豫时间增加以及扩散激活能增加,表明高压条件下,NiCoCr熔体中原子运动能力减弱。最后,通过构建FCC-NiCoCr晶体模型,探究化学序对NiCoCr中熵合金性能的影响。利用信息熵S表征NiCoCr结构的化学有序度,且随着信息熵S的下降NiCoCr合金的屈服强度逐渐增强。进一步探究发现,在NiCoCr合金的化学结构中Cr原子的占比情况对力学性能影响较大,中心原子配位原子中的Cr原子越少的局域结构越难产生变形。
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