納米晶(單晶、多晶)高熵合金的獨特點陣畸變結(jié)構(gòu)和高熵特性，使其具有高硬度、高強度、抗高溫、耐磨損、耐腐蝕以及耐低溫等優(yōu)異性能，在核反應(yīng)堆燃料棒、太空探測器、深海核潛艇等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景 金屬材料的宏觀力學(xué)性能與其微結(jié)構(gòu)的演化有極大的關(guān)聯(lián) 在原子尺度上捋清納米晶CoNiCrFeMn高熵合金塑性變形的力學(xué)性能，對高熵合金微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其變形機理認(rèn)知有重要的意義[1] 目前，實驗和分子動力學(xué)模擬方法已成為研究納米晶高熵合金材料的塑性變形機制和性能的主要手段[2~5] 但是，僅基于實驗法研究納米晶高熵合金的物性，對儀器的測試精度和內(nèi)外環(huán)境等的要求極為嚴(yán)苛，且所需經(jīng)費極其高昂 用大規(guī)模分子模擬(簡稱MD)可獲與材料的宏觀力學(xué)性能密切相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)演化，是探究原子尺度納米晶高熵合金塑性變形力學(xué)行為與變形機制的有力工具[4,5]

目前對高熵合金力學(xué)性能與位錯演化特征[6,7]、相變行為[8]、蠕變行為[9]、強韌化機理[10,11]等的研究，已成為熱點 Du等[12]的研究結(jié)果表明，在循環(huán)變形過程中CoCrFeMnNi高熵合金中部分位錯相互作用使材料的晶格紊亂，晶格的無序阻礙位錯的反向運動而削弱了高熵合金中的包辛格效應(yīng) Amar等[13]用激光熔積法制備高強度CrMnFeCoNi高熵合金，發(fā)現(xiàn)控制TiC的加入量可調(diào)節(jié)合金的拉伸性能，拉伸力學(xué)性能的提高源于引入的微米級TiC增強相促進了滑移帶的傳播 Ding等[14]研究了不同服役溫度下高熵合金的時效層組織和耐磨性，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高高熵合金涂層的顯微硬度先升高后降低，質(zhì)量損失則與之相反；在750℃時效后合金鍍層的顯微硬度和質(zhì)量損失分別降低了4.3%和11.9% Huang等[15]指出，C元素的加入提高了CoCrFeNiCx高熵合金的硬度、強度和耐磨性 Xiang等[16]指出，制備工藝參數(shù)不同的CrMnFeCoNi高熵合金均為fcc(面心立方)單相固溶體結(jié)構(gòu)；控制激光沉積功率可控制CrMnFeCoNi高熵合金結(jié)構(gòu)中柱狀晶和等軸晶的比例，進而控制合金的組織和力學(xué)性能 Laplanche等[17]指出，CrMnFeCoNi高熵合金的低溫抗拉伸力學(xué)性能比室溫性能更高；在77 K拉伸應(yīng)變大于7.4%時孿生主導(dǎo)了材料的塑性變形；293 K時的孿晶僅在接近斷裂應(yīng)變時才能激活，因為此時高熵合金的屈服強度較低，只有較高的應(yīng)變才能通過加工硬化產(chǎn)生生成孿晶所需的應(yīng)力 Otto等[18]的研究結(jié)果表明，CoCrFeMnNi高熵合金的屈服強度、極限屈服應(yīng)力和斷裂伸長率均隨著溫度的降低而提高；孿生能提供額外的變形模式適應(yīng)拉伸的塑性變形，而孿晶不能解釋高熵合金屈服強度隨著溫度的降低而提高 Gludovatz等[19]的結(jié)果表明，F(xiàn)eCoCrNiMn合金的室溫屈服強度約為400 MPa，屈服應(yīng)力為760 MPa，斷裂延伸率平均值為56%；隨著溫度的降低該合金的強度、斷裂延伸率以及應(yīng)變硬化率均明顯提高

用分子模擬方法研究納米晶CoNiCrFeMn高熵合金的拉伸力學(xué)性能與空洞裂紋缺陷演化的相關(guān)性，比較服役溫度和平均晶粒尺寸影響納米晶Ni、納米晶CoNiCrFeMn高熵合金的拉伸力學(xué)性能、位錯分布、微結(jié)構(gòu)演化、位錯總長的差異性，有望評估納米金屬材料用于核反應(yīng)堆燃料棒在極端惡劣服役工況(高溫、高壓、強輻射)下的力學(xué)性能，有重要的理論價值

1 分子模擬計算1.1 模擬設(shè)置

用分子動力學(xué)法對CoNiCrFeMn高熵合金、Ni的拉伸塑性變形行為進行原子尺度分析 圖1給出了以晶格常數(shù)等于0.352 nm的面心立方鎳為主元建立的單晶、多晶高熵合金CoNiCrFeMn 高熵合金的Co、Ni、Cr、Fe、Mn五種元素以等比例20%均勻分布 建模時，模型x、y、z軸晶向依次為[100]、[010]、[001]，寬長高分別為5 nm (Lx)×35 nm (Ly)×20 nm (Lz) 基于Voronoi算法在Ni和高熵合金中分別建立含8個、16個、24個晶粒的多晶模型(圖1b)，模型x、y、z軸皆采用周期性邊界條件 拉伸前，基于共軛梯度算法優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)并用隨機種子數(shù)產(chǎn)生該溫度的初始速度，然后基于NPT系綜對體系控壓并弛豫20 ps，弛豫后的系統(tǒng)能量、溫度、壓強達到穩(wěn)態(tài) 拉伸時的牛頓方程求解基于NPT系綜和Verlet算法，積分步長為1 fs，每500步輸出體系的應(yīng)力-應(yīng)變和熱力學(xué)信息 模擬時，沿著Y軸方向以應(yīng)變率為2×109 s-1對模型實施拉伸加載 基于拉伸應(yīng)變率2×109 s-1，考慮了溫度(10、300、1000 K)變化對納米晶高熵合金和納米晶鎳?yán)炝W(xué)性能與塑性變形相變轉(zhuǎn)化的影響 所有計算使用LAMMPS軟件完成[20]

圖1



圖1多晶CoNiCrFeMn高熵合金拉伸時的原子尺度模型

Fig.1Atomic physical model of polycrystal CoNiCrFeMn high entropy alloy at stretched process

(A) three-dimensional model of CoNiCrFeMn high entropy alloy; (B) grain boundary model of CoNiCrFeMn high entropy alloy

1.2 勢函數(shù)作用

MD計算用MEAM勢函數(shù)[21]描述納米晶CoNiCrFeMn高熵合金五種元素間的相互作用

E=∑iFi(ρˉi+12∑i≠jΦij(rij))

(1)

該勢函數(shù)[22,23]適用于描述塑性變形結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)化特征 式(1)中E為總能量；F為嵌入能量，是原子電子密度的函數(shù)；Φ為一對原子勢相互作用

1.3 微結(jié)構(gòu)特征識別

用CNA法[24,25]識別納米晶CoNiCrFeMn高熵合金和Ni受拉伸時的相變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)用綠色原子表示，密排六方(hcp)結(jié)構(gòu)用紅色原子顯示，體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)用藍(lán)色原子展示，灰色原子(Other)視為非晶態(tài)

1.4 內(nèi)應(yīng)力計算

材料承受的內(nèi)應(yīng)力超過其臨界值時材料內(nèi)將出現(xiàn)空洞或裂紋，此類損傷與受到的Von Mises應(yīng)力密不可分，因此用

σMises=(σxx-σyy)2+(σyy-σzz)2+(σzz-σxx)2+6(τxy2+τyz2+τzx2)2

(2)

中的Von Mises應(yīng)力表征材料受拉伸時塑性變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力集中度[26]

式(2)中的σxx、σyy、σzz、τxy、τyz、τzx分別表示六個方向的正應(yīng)力與切應(yīng)力張量

2 結(jié)果和分析2.1 溫度對拉伸力學(xué)性能的影響

為了評估使役溫度和平均晶粒尺寸對CoNiCrFeMn高熵合金力學(xué)性能的影響，圖2和圖3分別給出了平均晶粒尺寸為0.76 nm的多晶CoNiCrFeMn高熵合金和多晶鎳的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 從圖3可見，在拉伸前期單晶和多晶鎳的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系 這個結(jié)果與文獻[27]的趨勢一致，間接驗證了本文參數(shù)設(shè)置和數(shù)值計算結(jié)果的可靠性 圖2給出了單晶和多晶CoNiCrFeMn高熵合金拉伸前期的應(yīng)力與應(yīng)變也呈現(xiàn)出線性關(guān)系 圖2還表明，單晶CoNiCrFeMn高熵合金溫度為10 K時的力學(xué)性能最佳，溫度為1000 K時的力學(xué)性能最差 隨著溫度的提高單晶CoNiCrFeMn高熵合金的屈服強度從19.21 GPa降低到9.95 GPa，對應(yīng)彈性模量從213.44 GPa降低到110.55 GPa；多晶CoNiCrFeMn高熵合金的屈服強度從16.34 GPa下降到8.21 GPa，對應(yīng)彈性模量從187.81 GPa降低到91.26 GPa 同時，單晶和多晶CoNiCrFeMn高熵合金的屈服應(yīng)力與彈性模量都隨著溫度的提高呈線性下降的趨勢，與用實驗法得到的結(jié)論一致 [28] 在使役溫度相同的條件下，多晶高熵合金的拉伸力學(xué)性能比單晶高熵合金的低，且隨著溫度從10 K提高到1000 K的過程中降幅的變化為14.9%、13.1%、17.4%，展現(xiàn)出先下降后上升的趨勢 這可能與高溫激活位錯滑移、晶界遷移擴張產(chǎn)生大量非晶和空洞裂紋缺陷的尺寸有關(guān) 從圖3可見，單晶鎳的屈服強度從19.04 GPa下降到12.01 GPa，對應(yīng)彈性模量從317.33 GPa降低到159.21 GPa；多晶鎳的屈服強度從11.62 GPa下降到8.12 GPa，對應(yīng)的彈性模量從190.49 GPa降低到159.21 GPa 與單晶鎳相比，在溫度從10 K提高到1000 K的過程中，多晶鎳的屈服應(yīng)力降幅的變化為38.9%、30%、32.3%，同時，隨著溫度的提高單晶和多晶鎳的屈服應(yīng)力也呈線性下降趨勢 對比圖2和圖3可見，單晶高熵合金的屈服應(yīng)力高于單晶鎳，多晶高熵合金和多晶鎳的屈服應(yīng)力顯著低于單晶高熵合金和單晶鎳，且與多晶高熵合金相比多晶鎳的屈服應(yīng)力降幅更大 其主要原因，一是高熵合金五種組元的差異和極高的原子間能量勢壘產(chǎn)生了嚴(yán)重的晶格扭曲和高密度限域位錯，阻礙了位錯的滑移和傳播；二是多晶材料的晶界缺陷誘導(dǎo)塑性變形的抗拉力學(xué)性能降低并改變了多晶材料的微結(jié)構(gòu)演化特征和內(nèi)應(yīng)力分布 為詳細(xì)了解納米晶高熵合金和納米晶鎳屈服應(yīng)力的顯著不同，圖5和圖6給出了微結(jié)構(gòu)的演化過程

圖2



圖2服役溫度對單晶、多晶CoNiCrFeMn(平均晶粒尺寸0.76 nm)高熵合金拉伸力學(xué)性能的影響

Fig.2Temperature influence on mechanical property of single crystal and polycrystal CoNiCrFeMn high entropy alloy (average grain size 0.76 nm) during tensile (A) single crystal and polycrystal CoNiCrFeMn high entropy alloy; (B) polycrystal line high entropy alloy; (C) effect of temperature on yield strength; (D) effect of temperature on elastic modulus

圖3



圖3服役溫度對單晶、多晶Ni(平均晶粒尺寸0.76 nm)拉伸力學(xué)性能的影響

Fig.3Temperature influence on mechanical property of single crystal and polycrystal (average grain size 0.76 nm) Ni during tensile

圖4



圖4室溫平均晶粒尺寸對多晶高熵合金和多晶鎳?yán)炝W(xué)性能的影響

Fig.4Average grain size influence on mechanical property of polycrystal Ni and polycrystal CoNiCrFeMn high entropy alloy during tensile with ambient temperature 300 K

圖5



圖5室溫和應(yīng)變ε=0.16下的平均晶粒尺寸對多晶Ni和多晶CoNiCrFeMn高熵合金中空洞缺陷的影響

Fig.5Average grain size influence on void defects of polycrystal Ni (A) and polycrystal CoNiCrFeMn (B) with ambient temperature 300 K and strain is equal to 0.16

圖6



圖6使役溫度下多晶Ni不同拉伸應(yīng)變時空洞缺陷的演化

Fig.6Void defects evolution of polycrystal Ni at (A) 10 K, (B) 300 K, (C) 1000 K under different tensile strains

2.2 晶粒尺寸對拉伸力學(xué)性能的影響

圖4給出了300 K時平均值為0.76、0.63、0.53 nm的晶粒尺寸對多晶鎳和多晶CoNiCrFeMn高熵合金拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的影響 從圖4A和圖4B可見，隨著平均晶粒尺寸的減小多晶Ni和多晶高熵合金的屈服應(yīng)力尚無統(tǒng)一下降趨勢，平均晶粒尺寸為0.76 nm時多晶高熵合金的屈服應(yīng)力(12.71 GPa)大于多晶鎳(9.77 GPa)，而平均晶粒尺寸為0.53 nm和0.63 nm時多晶高熵合金的屈服應(yīng)力卻低于多晶鎳 這主要與材料中的空洞缺陷外形尺寸有極大的關(guān)系 圖5給出了應(yīng)變ε=0.16室溫(300 K)條件下多晶鎳和多晶高熵合金中的空洞缺陷 從圖5可見，多晶Ni的平均晶粒尺寸為0.76 nm時空洞最小，晶粒尺寸為0.53 nm時的空洞增大，晶粒尺寸為0.63 nm的空洞外形最大，與圖4D對應(yīng)的屈服應(yīng)力規(guī)律有很好的一致性 這表明，空洞缺陷的外形大小是影響多晶Ni材料屈服應(yīng)力的主要原因 多晶高熵合金的空洞缺陷的外形尺寸，也與圖4C對應(yīng)的屈服應(yīng)力有很好的一致性 此外，平均晶粒尺寸為0.63和0.53 nm時，多晶高熵合金的屈服應(yīng)力顯著低于多晶Ni 圖5中兩種材料對應(yīng)的空洞外形尺寸，再次表明空洞缺陷的外形尺寸直接影響了多晶Ni和多晶高熵合金的屈服強度 為了深入了解空洞缺陷產(chǎn)生及繁衍的進程，圖6和圖7給出了多晶材料的空洞缺陷萌生、繁衍和斷裂的演化過程

圖7



圖71000 K多晶鎳晶粒細(xì)化演變的進程和裂紋拓展的失效

Fig.7Graph of grain refinement evolution and crack propagation failure for polycrystal nickel at temperature with 1000 K

2.3 微結(jié)構(gòu)特征

圖6給出了多晶鎳在不同服役溫度下(10~1000 K)的空洞缺陷隨著拉伸應(yīng)變的演化進程 從圖6可見，在服役溫度相同的條件下，多晶鎳的空洞缺陷演化歷經(jīng)空洞缺陷萌生、長大、繁殖和斷裂四個演化進程 此外，空洞缺陷的萌生起源于多晶的交叉晶界處，表明多晶的晶界極容易受拉伸載荷的影響產(chǎn)生空洞似的裂紋缺陷，使材料的拉伸力學(xué)性能急劇下降 另外，多晶鎳也容易受載荷誘導(dǎo)在晶粒內(nèi)產(chǎn)生變形的孿晶堆垛層錯，且隨應(yīng)變的增大逐漸增多 從圖6還可見，溫度對多晶鎳的空洞缺陷形狀和大小有很大的影響 溫度為300 K時產(chǎn)生的空洞缺陷外形形狀最大，其次是10 K時產(chǎn)生的空洞缺陷較大，且繁殖數(shù)目較多，高溫1000 K時產(chǎn)生的空洞缺陷外形形狀最小 其主要原因是多晶材料的晶界在高溫逐漸軟化，使晶界極易擴張和(見圖6C黑色箭頭)在晶界富集更多的非晶態(tài)顆粒(圖6C中的黑色箭頭) 為了深入了解多晶鎳晶粒內(nèi)的微結(jié)構(gòu)演化進程，圖7繪出了1000 K時多晶晶粒的微結(jié)構(gòu)隨著應(yīng)變的詳細(xì)演化過程 從圖7可見，應(yīng)變ε=0.1時晶粒1先產(chǎn)生內(nèi)秉堆垛層錯，隨后隨著應(yīng)變的增大晶粒2也產(chǎn)生內(nèi)秉堆垛層錯 同時，內(nèi)秉堆垛層錯的產(chǎn)生先充滿細(xì)小的晶粒，隨后較大的晶粒2也逐漸被內(nèi)秉堆垛層錯堆滿，此時的裂紋隨著應(yīng)變的增加而擴張；應(yīng)變ε=0.6時較大的晶粒2細(xì)分出較小的晶粒3，即晶粒隨著溫度的提高極容易產(chǎn)生更細(xì)小的晶粒即晶粒細(xì)化，此時裂紋沿著晶界處傳播發(fā)散，形成對材料的服役壽命致命的缺陷

為了對比多晶鎳的微結(jié)構(gòu)演化，圖8給出了在不同使役溫度下多晶CoNiCrFeMn高熵合金隨著應(yīng)變的增大微結(jié)構(gòu)的演化信息 從圖8可見，在多晶CoNiCrFeMn高熵合金的整個應(yīng)變過程中都沒有產(chǎn)生空洞缺陷，表明多晶高熵合金比多晶鎳的延展性更好，且屈服應(yīng)力也比多晶鎳的高 這再次說明，空洞缺陷的產(chǎn)生是材料力學(xué)性能急劇下降的主要原因 此外，在使役溫度相同的條件下，多晶高熵合金內(nèi)晶粒細(xì)化的微結(jié)構(gòu)演化進程呈現(xiàn)出與多晶鎳一致的趨勢 溫度為10 K時多晶高熵合金晶粒內(nèi)除了產(chǎn)生孿晶片層，更容易在晶界處富集非晶態(tài)(圖8A中的藍(lán)色箭頭) 晶界處產(chǎn)生的非晶原子比300 K和1000 K下更多，也更容易使位錯萌生 同時，在室溫300 K和1000 K多晶高熵晶界也極容易舒張，非晶原子也極容易在晶界處產(chǎn)生團簇(圖8B和圖8C中的箭頭)，從而阻滯位錯的運動

圖8



圖8不同使役溫度下多晶CoNiCrFeMn高熵合金不同拉伸應(yīng)變時微結(jié)構(gòu)的演化

Fig.8Micro-structure evolution of polycrystal CoNiCrFeMn high entropy alloy at (A) 10 K; (B)300 K; (C) 1000 K under different tensile strains

圖9繪出了室溫300 K時應(yīng)變ε=0.3的單晶和多晶CoNiCrFeMn高熵合金以及單晶和多晶鎳的微結(jié)構(gòu)信息及徑向分布函數(shù)隨溫度的變化 觀察圖9A和圖9B可見，與單晶鎳相比，單晶高熵合金內(nèi)受拉產(chǎn)生塑性變形的非晶原子和內(nèi)秉堆垛層錯較多，且單晶高熵合金具有更好的延展性；與多晶鎳相比，多晶高熵合金受拉產(chǎn)生塑性變形的晶界彌散擴張范圍更廣，多晶的晶界邊緣產(chǎn)生內(nèi)秉堆垛層錯也較多 此外，與多晶鎳相比多晶高熵合金沒有產(chǎn)生空洞缺陷 這表明，在同等條件下多晶高熵合金的晶格畸變使其拉伸時的延展性更好 從圖9C和圖9D可見，四種模型的徑向分布函數(shù)隨著溫度的升高下降，與文獻[29]的趨勢一致 與單晶高熵合金和單晶鎳相比，多晶高熵合金和多晶鎳的徑向分布函數(shù)分別低于單晶高熵合金和單晶鎳 這表明，受晶界的影響多晶材料徑向分布函數(shù)原子間的鍵合力逐漸減小，外部載荷的拉伸作用也更容易使材料服役的力學(xué)性能下降和塑性變形能力變得更弱

圖9



圖9應(yīng)變ε=0.3的納米晶鎳和納米晶高熵合金室溫下的微結(jié)構(gòu)對比，以及徑向分布函數(shù)隨溫度的變化

Fig.9Comparison of micro-structure between nanocrystalline nickel and nanocrystalline high entropy alloy with ε=0.3 at room temperature (A, B), and the curve of the radial distribution function with temperature (C, D)

2.4 位錯分布和內(nèi)應(yīng)力

為了詳細(xì)了解納米晶高熵合金和納米晶鎳受拉產(chǎn)生塑性變形的詳細(xì)位錯分布，圖10繪制了平均晶粒尺寸為0.76 nm、應(yīng)變ε=0.3的位錯分布 從圖10A和圖10B可見，納米晶高熵合金和納米晶鎳的位錯分布主要以1/6<112>肖特基不全位錯為主，還有少量的1/6<110>梯桿位錯和1/3<110>Hirth位錯，它們是在堆垛層錯交叉區(qū)的肖克萊不全位錯之間的反應(yīng)產(chǎn)生的，肖特基位錯分布最多的是單晶CoNiCrFeMn高熵合金，其次是單晶Ni 與單晶高熵合金和單晶Ni相比，多晶高熵合金和多晶Ni極易在晶界邊緣滋生新位錯，位錯之間在拉伸塑性變形時發(fā)生交聯(lián)耦合作用 隨著溫度的提高多晶材料中位錯的總長比單晶材料的小 此外，納米晶Ni位錯的總長隨著溫度的升高呈逐漸下降趨勢，而納米晶高熵合金位錯的總長隨著溫度的升高沒有一定的規(guī)律，實際的表現(xiàn)是300 K時最多，其次是10 K，最后才是1000 K 為了深入了解內(nèi)應(yīng)力激活位錯產(chǎn)生的機制，圖11繪制了納米晶高熵合金和納米晶鎳對應(yīng)位錯分布的內(nèi)應(yīng)力 從圖11可見，隨著溫度的升高納米晶高熵合金和納米晶鎳的內(nèi)應(yīng)力集中度越加明顯，溫度升高使晶界激活而遷移，且位錯運動更易發(fā)生，位錯的滑移和運動形式變得異常復(fù)雜，尤其是在承受高頻、高速的循環(huán)拉伸載荷時 這與文獻[29]對溫度影響下納米壓痕氮化鎵樣品的位錯分布趨勢一致 多晶Ni和多晶高熵合金晶界處因原子錯排和無序化，晶界處的應(yīng)力集中更高 在拉伸載荷誘導(dǎo)下，晶界處的應(yīng)力集中促進位錯的產(chǎn)生，是位錯源萌芽的起源地，更是多晶材料內(nèi)萌生空洞缺陷裂紋使其失去拉伸力學(xué)性能的根本原因(圖11) 此外，晶界處更易吸收環(huán)境雜質(zhì)和富集非晶態(tài)，從而降低材料的拉伸力學(xué)性能 另外，隨著溫度的升高多晶材料的晶界受熱脹冷縮影響其范圍進一步擴大，應(yīng)力分布區(qū)域也比低溫時更廣 在拉伸期間納米晶Ni和納米晶CoNiCrFeMn高熵合金承受動態(tài)拉伸載荷，多晶Ni首次產(chǎn)生空洞缺陷裂紋

圖10



圖10納米晶CoNiCrFeMn高熵合金和納米晶鎳中位錯的分布類型和位錯總長隨溫度的變化

Fig.10Dislocation distribution types and the change of the length of dislocation with temperature varies for nanocrystalline CoNiCrFeMn high entropy alloy and nanocrystalline nickel

圖11



圖11不同使役溫度對應(yīng)的ε=0.3時納米晶CoNiCrFeMn高熵合金和納米晶鎳的應(yīng)力分布

Fig.11The stress distribution of nanocrystalline CoNiCrFeMn high entropy and nanocrystalline nickel under tensile strain with ε=0.3 and temperature of (A) 10 K; (B)300 K; (C) 1000 K

3 結(jié)論

(1) 與單晶高熵合金相比，多晶高熵合金的拉伸力學(xué)性能較低，且隨著溫度從10 K提高到1000 K降幅分別達到14.9%、13.1%和17.4%；與單晶鎳相比，隨著溫度從10 K提高到1000 K，多晶鎳的屈服應(yīng)力降幅分別為38.9%、30%和32.3%，晶界缺陷使多晶鎳的屈服應(yīng)力比單晶高熵合金的整體降幅更大

(2) 晶粒尺寸為0.76 nm的納米晶高熵合金和納米晶鎳?yán)鞎r的屈服應(yīng)力和彈性模量隨著溫度的提高線性下降 納米晶高熵合金拉伸時尚無空洞裂紋缺陷產(chǎn)生，表現(xiàn)出良好的延展性；空洞裂紋缺陷是使納米晶鎳的拉伸力學(xué)性能隨著溫度的提高急劇下降的直接原因，且空洞裂紋缺陷的形狀和大小直接影響材料的拉伸力學(xué)性能；空洞裂紋缺陷的演化歷經(jīng)空洞缺陷的萌生、增大，空洞缺陷繁殖和斷裂

(3) 在納米晶高熵合金的拉伸過程中尚無空洞裂紋缺陷產(chǎn)生，而納米晶鎳在拉伸中產(chǎn)生空洞裂紋缺陷，表明納米晶高熵合金比納米晶鎳具有更好的延展性 多晶材料晶粒內(nèi)充滿內(nèi)秉堆垛層錯，且隨著溫度的提高大晶粒易分化出細(xì)小晶粒，出現(xiàn)晶粒細(xì)化的納觀現(xiàn)象，在晶界處富集的非晶團簇阻滯位錯的運動

(4) 與單晶高熵合金和單晶鎳相比，多晶高熵合金和多晶鎳更易在晶界邊緣因內(nèi)應(yīng)力的誘導(dǎo)而產(chǎn)生位錯，是多晶材料內(nèi)萌生空洞缺陷裂紋使其失效的根本原因 位錯的分布與內(nèi)應(yīng)力分布有良好的一致性 隨著溫度的提高多晶材料的晶界范圍因熱脹冷縮而擴張，以致應(yīng)力的分布區(qū)域比低溫時更廣

參考文獻

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[1]

Fu W J, Huang Y J, Sun J F, et al.

Strengthening CrFeCoNi-Mn0.75Cu0.25 high entropy alloy via laser shock peening

[J]. Int. J. Plast., 2022, 154: 103296

DOIURL [本文引用: 1]

[2]

Tran N D, Saengdeejing A, Suzuki K, et al.

Stability and thermodynamics properties of CrFeNiCoMn/Pd high entropy alloys from first principles

[J]. J. Phase Equilib. Diffus., 2021, 42: 606

DOI [本文引用: 1]

[3]

Gorban V F, Andreev A A, Chikryzhov A M, et al.

The phase composition and mechanical properties of vacuum coatings produced from equiatomic CrFeCoNiMn alloy

[J]. Powder Metall. Met. Ceram., 2019, 58: 58

DOI

[4]

Zheng T F, Lv J C, Wu Y, et al.

Effects of stacking fault energy on the deformation behavior of CoNiCrFeMn high-entropy alloys: a molecular dynamics study

[J]. Appl. Phys. Lett., 2021, 119: 201907

DOIURL [本文引用: 1] " />

High strength and ductility, often mutually exclusive properties of a structural material, are also responsible for damage tolerance. At low temperatures, due to high surface energy, single element metallic nanowires such as Ag usually transform into a more preferred phase via nucleation and propagation of partial dislocation through the nanowire, enabling superplasticity. In high entropy alloy (HEA) CoNiCrFeMn nanowires, the motion of the partial dislocation is hindered by the friction due to difference in the lattice parameter of the constituent atoms which is responsible for the hardening and lowering the ductility. In this study, we have examined the temperature-dependent superplasticity of single component Ag and multicomponent CoNiCrFeMn HEA nanowires using molecular dynamics simulations. The results demonstrate that Ag nanowires exhibit apparent temperature-dependent superplasticity at cryogenic temperature due to (110) to (100) cross-section reorientation behavior. Interestingly, HEA nanowires can perform exceptional strength-ductility trade-offs at cryogenic temperatures. Even at high temperatures, HEA nanowires can still maintain good flow stress and ductility prior to failure. Mechanical properties of HEA nanowires are better than Ag nanowires due to synergistic interactions of deformation twinning, FCC-HCP phase transformation, and the special reorientation of the cross-section. Further examination reveals that simultaneous activation of twining induced plasticity and transformation induced plasticity are responsible for the plasticity at different stages and temperatures. These findings could be very useful for designing nanowires at different temperatures with high stability and superior mechanical properties in the semiconductor industry.

[6]

Li C, Xue Y F, Hua M T, et al.

Microstructure and mechanical properties of Al x Si0.2CrFeCoNiCu1- x high-entropy alloys

[J]. Mater. Des., 2016, 90: 601

DOIURL [本文引用: 1]

[7]

Wang F J, Zhang Y, Chen G L.

Atomic packing efficiency and phase transition in a high entropy alloy

[J]. J. Alloys Compd., 2009, 478: 321

DOIURL [本文引用: 1]

[8]

Sun S J, Tian Y Z, Lin H R, et al.

Transition of twinning behavior in CoCrFeMnNi high entropy alloy with grain refinement

[J]. Mater. Sci. Eng., 2018, 712A: 603

[本文引用: 1]

[9]

Lee D H, Seok M Y, Zhao Y K, et al.

Spherical nanoindentation creep behavior of nanocrystalline and coarse-grained CoCrFeMnNi high-entropy alloys

[J]. Acta Mater., 2016, 109: 314

DOIURL [本文引用: 1]

[10]

Juan C C, Tsai M H, Tsai C W, et al.

Simultaneously increasing the strength and ductility of a refractory high-entropy alloy via grain refining

[J]. Mater. Lett., 2016, 184: 200

DOIURL [本文引用: 1]

[11]

Seol J B, Bae J W, Li Z M, et al.

Boron doped ultrastrong and ductile high-entropy alloys

[J]. Acta Mater., 2018, 151: 366

DOIURL [本文引用: 1]

[12]

Du X, Lu X C, Shuang S Y, et al.

Cyclic plasticity of CoCrFeMnNi high-entropy alloy (HEA): a molecular dynamics simulation

[J]. Int. J. Appl. Mech., 2021, 13: 2150006

DOIURL [本文引用: 1] " />

Laser cladding CoCrFeNiTiNbB1.25 high-entropy alloys coatings on H13 steel was fabricated. The microstructure and abrasion resistance of aged high-entropy alloys coatings at different temperature were researched. Results showed the phase was not changed in the high-entropy\n alloys coatings as the aging temperature elevated, the volume fraction of TiB phase was firstly increased, then reduced. The diffraction peak of fcc phase was firstly shifted to the right, and then shifted to the left. The aged high-entropy alloys coatings consisted of typical dendrite, interdendritic\n eutectic and dispersed intermetallic compound, and the dendrite obviously was coarsened after aging at 850 °C. Compared with non-aged high-entropy alloys coatings, the microhardness of aged high-entropy alloys coatings was firstly elevated as the aging temperature elevated, then decreased,\n and the mass loss was opposite. The microhardness and mass loss was decreased by 4.3% and 11.9%, respectively, for the aging at 750 °C. The abrasion mechanism of non-aged high-entropy alloys coatings was the abrasive wear, and was the abrasive wear and adhesive wear after aging.

[15]

Huang T D, Jiang L, Zhang C L, et al.

Effect of carbon addition on the microstructure and mechanical properties of CoCrFeNi high entropy alloy

[J]. Sci. China Technol. Sci., 2018, 61: 117

DOIURL [本文引用: 1]

[16]

Xiang S, Zhang L, Liu X, et al.

Effect of laser melting deposition process on microstructure and mechanical properties of CrMnFeCoNi high-entropy alloys

[J]. Trans. Mater. Heart Treat., 2018, 39: 29

[本文引用: 1]

向 碩, 張 雷, 劉 學(xué) 等.

激光熔化沉積工藝對CrMnFeCoNi高熵合金組織和性能的影響

[J]. 材料熱處理學(xué)報, 2018, 39: 29

[本文引用: 1]

[17]

Laplanche G, Kostka A, Horst O M, et al.

Microstructure evolution and critical stress for twinning in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy

[J]. Acta Mater., 2016, 118: 152

DOIURL [本文引用: 1]

[18]

Otto F, Dlouhy A, Somsen C, et al.

The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy

[J]. Acta Mater., 2013, 61: 5743

DOIURL [本文引用: 1]

[19]

Gludovatz B, Hohenwarter A, Catoor D, et al.

A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications

[J]. Science, 2014, 345: 1153

DOIPMID [本文引用: 1] " />

The shear instability of the nanoscrystalline 3C-SiC during nanometric cutting at a cutting speed of 100u2009m/s has been investigated using molecular dynamics simulation. The deviatoric stress in the cutting zone was found to cause sp3-sp2 disorder resulting in the local formation of SiC-graphene and Herzfeld-Mott transitions of 3C-SiC at much lower transition pressures than that required under pure compression. Besides explaining the ductility of SiC at 1500u2009K, this is a promising phenomenon in general nanoscale engineering of SiC. It shows that modifying the tetrahedral bonding of 3C-SiC, which would otherwise require sophisticated pressure cells, can be achieved more easily by introducing non-hydrostatic stress conditions.

[27]

Li Y C, Jiang W G, Zhou Y.

Molecular dynamics simulations of the tensile mechanical response of single crystal/polycrystalline nickel

[J]. Rare Met. Mater. Eng., 2020, 49: 2372

[本文引用: 1]

李源才, 江五貴, 周 宇.

單晶/多晶鎳?yán)炝W(xué)性能的分子動力學(xué)模擬

[J]. 稀有金屬材料與工程, 2020, 49: 2372

[本文引用: 1]

[28]

Sun S J, Tian Y Z, Lin H R, et al.

Temperature dependence of the Hall-Petch relationship in CoCrFeMnNi high-entropy alloy

[J]. J. Alloys Compd., 2019, 806: 992

DOIURL [本文引用: 1]

[29]

Guo J, Chen J J, Wang Y Q.

Temperature effect on mechanical response of c-plane monocrystalline gallium nitride in nanoindentation: a molecular dynamics study

[J]. Ceram. Int., 2020, 46: 12686

DOIURL [本文引用: 2]

Strengthening CrFeCoNi-Mn0.75Cu0.25 high entropy alloy via laser shock peening

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