高熵合金
關(guān)注創(chuàng)建者：強(qiáng)sir 創(chuàng)建時(shí)間：2018-11-19
高熵合金的實(shí)例教程
主要結(jié)論
最后， Jiro Kitagawa在綜述中介紹了高熵合金超導(dǎo)體的發(fā)展前景。例如，提出了共晶高熵合金超導(dǎo)體和橡膠金屬高熵合金超導(dǎo)體。在超導(dǎo)體中，含有共晶相的微觀結(jié)構(gòu)通常有助于提高Tc。此外，共晶合金通常有助于提高臨界電流密度，這對(duì)于超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。共晶高熵合金超導(dǎo)體具有作為高性能超導(dǎo)線材的潛力。一類特殊類型的β-鈦合金在冷軋后表現(xiàn)出低楊氏模量和高強(qiáng)度共存的特殊力學(xué)行為，稱為橡膠金屬。橡膠金屬的化學(xué)成分與高熵合金有一些隱含的相似之處。膠金屬在制造金屬絲方面具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，如果這種超導(dǎo)性出現(xiàn)在橡膠金屬高熵合金中，這種材料將是下一代超導(dǎo)線材的良好候選材料。
展開 (HEA)（非等原子比）具備超越傳統(tǒng)合金和第一代等原子比單相高熵合金性能限制的優(yōu)異性能。
CIENCE CHINA Materials 近期在線發(fā)表的一篇論文深入研究了CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，發(fā)現(xiàn)液氦環(huán)境下孿晶主導(dǎo)的變形機(jī)制引發(fā)了鋸齒流變行為，變形孿晶和相變行為的共同作用導(dǎo)致了其優(yōu)異的力學(xué)性能。
超低溫材料在深空探測(cè)、應(yīng)用超導(dǎo)和氣體工業(yè)領(lǐng)域有諸多應(yīng)用。隨著聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域和空間技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)高性能低溫材料的需求越來(lái)越迫切。高熵合金作為多主元合金（多種合金元素等比例或近似等比例組成）的代名詞，近些年引起研究人員的廣泛關(guān)注。由于其合金設(shè)計(jì)理念的不同，高熵合金被認(rèn)為具有突破傳統(tǒng)材料諸多性能極限的潛力。
美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的好奇號(hào)、洞察號(hào)火星探測(cè)器和洞察號(hào)傳回地球的第一張圖片。（來(lái)自pixabay和百度圖片）
聚變反應(yīng)堆裝置示意圖
該文詳細(xì)研究了具有面心立方結(jié)構(gòu)的CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，結(jié)果顯示該合金在極低溫環(huán)境下，能夠保持高強(qiáng)度和極優(yōu)異的韌性。
CoCrFeNi高熵合金的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線
歸根結(jié)底，這些優(yōu)異的綜合性能源于多組元合金極低的層錯(cuò)能，使變形孿晶在超低溫環(huán)境下大量出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致材料在極限溫度下保持高強(qiáng)高韌的特點(diǎn)。另外，研究還發(fā)現(xiàn)該合金在超低溫環(huán)境準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)表現(xiàn)出FCC-HCP相變行為，說(shuō)明在極低溫且高應(yīng)力狀態(tài)下，HCP結(jié)構(gòu)的CoCrFeNi合金比FCC結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，加深了我們對(duì)高熵合金相穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)。除此之外，高熵合金在液氦溫區(qū)拉伸時(shí)出現(xiàn)了鋸齒流變行為，作者認(rèn)為這種特異性的現(xiàn)象是由孿晶主導(dǎo)的變形機(jī)制引起的，且相變行為的出現(xiàn)導(dǎo)致了該鋸齒行為不穩(wěn)定。
不同金屬材料在4.2 K時(shí)的拉伸強(qiáng)度-延伸率圖
以上結(jié)果及上圖顯示，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，高熵合金在極低溫環(huán)境結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力。
展開 圖2 不同循環(huán)次數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)
最后，通過(guò)研究不同晶粒取向的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，不同于單晶材料，在多晶CoCrFeMnNi合金中，晶粒取向與位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成沒(méi)有直接的關(guān)系。因此作者認(rèn)為，多晶材料中，不同位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成更多地由相鄰晶粒的約束決定。此外，單個(gè)晶粒中多種位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成也與相鄰晶粒的約束效應(yīng)有關(guān)。
圖3 多個(gè)不同取向的晶粒的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)
本文揭示的CoCrFeMnNi 高熵合金在低周疲勞下的變形機(jī)理，同樣適用于具有同等層錯(cuò)能（Stacking Fault Energy）的其他FCC高熵合金。同時(shí)本文對(duì)比了該合金和316L奧氏體鋼的循環(huán)變形響應(yīng)，解釋了高熵合金潛在的獨(dú)特疲勞性能的來(lái)源，為將來(lái)高抗疲勞性能的高熵合金設(shè)計(jì)提供了支持。
另外，該研究人員還對(duì)比研究了CoCrFeMnNi 高熵合金和CoCrNi中熵合金，相關(guān)成果以題目‘Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi’發(fā)表在《Scripta Materialia》上。研究發(fā)現(xiàn)CoCrNi具有更好的疲勞性能，并將這種性能歸因于CoCrNi較低的層錯(cuò)能。相較于CoCrFeMnNi中位錯(cuò)的交滑移運(yùn)動(dòng)引起的墻和胞結(jié)構(gòu)，CoCrNi的低層錯(cuò)能促進(jìn)了位錯(cuò)的平面運(yùn)動(dòng)，使得塑性變形更加均勻，進(jìn)而提高了疲勞性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113667
*感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對(duì)本文的大力支持。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)“材料科學(xué)與工程”。
展開 總結(jié)與展望
綜上所述，本文精細(xì)表征了共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中界面的取向關(guān)系及界面結(jié)構(gòu)，深入探索了共晶高熵合金的變形機(jī)制及界面效應(yīng)，建立了原子尺度界面結(jié)構(gòu)與合金強(qiáng)塑性之間的聯(lián)系，以期為通過(guò)界面調(diào)控設(shè)計(jì)更高強(qiáng)度、更高塑性高熵合金提供指導(dǎo)信息。
本文來(lái)自“《JMST》期刊”。
高熵合金的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
高熵合金的最新內(nèi)容
分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬能夠在原子尺度揭示高熵合金在循環(huán)載荷下的微觀過(guò)程，為理解其抗疲勞機(jī)理提供重要依據(jù)。然而，目前針對(duì)高熵合金在正弦波循環(huán)應(yīng)力下的MD研究仍較為有限，尤其是不同成分、溫度及加載頻率對(duì)疲勞行為的影響仍需深入探索。本研究擬通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)其開展研究。
以SLM技術(shù)制備出Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品，并使用阿基米德測(cè)量法測(cè)量了它們的密度。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的加工參數(shù)可以成功制備出高密度的Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品。
參數(shù)設(shè)計(jì)
以FLOW-3D進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)確認(rèn)加工參數(shù)。通過(guò)改變掃描速度、掃描間距和層厚等參數(shù)，模擬出不同參數(shù)下元素Nb的熔池變化情況。
第一天 下午
LAMMPS進(jìn)階
（石墨烯、金屬材料模擬專題）
2 LAMMPS進(jìn)階實(shí)例操作，理解模擬對(duì)象的物理意義——從簡(jiǎn)單例子走向文獻(xiàn)模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
: 實(shí)例操作：
2.1 把剪切模型轉(zhuǎn)換成拉伸模型
2.2 lattice命令石墨烯、金屬、合金、高熵合金不同形狀模型
2.3 石墨烯(不同力場(chǎng))、金屬、合金、高熵合金等拉伸剪切力學(xué)性質(zhì)模擬
由于增材制造工藝上的特殊性，可以通過(guò)不同的鋪粉倉(cāng)或送絲器生產(chǎn)加工出成分梯度的零件或復(fù)合材料，這一設(shè)想已經(jīng)在鎳合金、鈦合金、高熵合金、鐵-鋁合金均嘗試成功。增材制造鎂基復(fù)合材料與鎂基梯度材料的成功開發(fā)必將更大程度上發(fā)揮鎂合金的減重優(yōu)勢(shì)，拓寬鎂合金的應(yīng)用場(chǎng)景。
高熵非晶合金等新種類合金材料的成分設(shè)計(jì)、材料基因組設(shè)計(jì)、多材料功能梯度結(jié)構(gòu)、超材料結(jié)構(gòu)、仿生材料及其結(jié)構(gòu)、具有電磁屏蔽功能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)、3D打印納米結(jié)構(gòu)、軸向立體光刻打印、4D打印智能材料、活體細(xì)胞打印、極端環(huán)境下的增材制造及應(yīng)用等創(chuàng)新型、交叉性技術(shù)研究進(jìn)展明顯。
直接利用元素粉末或合金粉末進(jìn)行激光選區(qū)熔化成型，一次打印過(guò)程可實(shí)現(xiàn)4種粉末、160種材料成分配比的力學(xué)性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。
bcc超導(dǎo)體和hcp高熵合金超導(dǎo)體的相選擇圖如圖3所示。同時(shí)考慮e/a和VEC可能有助于材料的設(shè)計(jì)。
Jiro Kitagawa在綜述中匯總了不同晶體結(jié)構(gòu)高熵合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度,Tc(K)。bcc高熵合金的超導(dǎo)臨界溫度介于2.8~8.5K之間；hcp高熵合金超導(dǎo)臨界溫度介于2.1~6.1K之間。
中南大學(xué)的研究人員結(jié)合SLM AM技術(shù)和高/中熵合金(H/MEA)的新合金化策略，為制備細(xì)晶Cr過(guò)飽和不銹鋼Fe-Cr-Ni三元合金奠定了基礎(chǔ)。采用近等原子原理，F(xiàn)eCrNi MEA的平均Cr含量達(dá)到35 at.%的突破水平。在沒(méi)有σ相析出的情況下，SLM成功構(gòu)建了MEA材料，并測(cè)試了其力學(xué)性能和耐蝕性。
材料隸屬于熱門的高熵合金領(lǐng)域，在低密度、高性能的新體系Ti基難熔中熵合金中，通過(guò)表征變形行為來(lái)明確其強(qiáng)韌化機(jī)理。室溫拉伸應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，大量位錯(cuò)通道并在場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡中呈現(xiàn)，場(chǎng)面震撼，完美地結(jié)合了科學(xué)性和藝術(shù)性，讓人們?cè)诤暧^和微觀的相似變幻中體會(huì)宇宙自然的奇妙，感受材料世界的魅力，具有很高的科普價(jià)值。透射電鏡下的位錯(cuò)排列具有特色，此作品留給人們很大的想象空間。
