董 斌， 王雪梅， 朱子亮

(濰坊科技學(xué)院, 壽光 262700)

1引 言

近年來，高熵合金(體系大于五種元素)體系受到了研究者廣泛的關(guān)注，主要原因是相比于二元合金或者三元合金，高熵合金在力學(xué)，抗腐蝕，抗脆性斷裂等方面展現(xiàn)出了非常突出的物理特性[1-5]. 隨著工業(yè)化發(fā)展的進(jìn)步，對于材料特定性能的要求也越來越高，從而對于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的要求也越來越高.這就需要在原子層面對材料進(jìn)行更精確的控制，所以研究高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性具有很高的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)于高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)的單一相的穩(wěn)定性，一直都是研究者比較關(guān)心的問題[6-11].是否存在多相結(jié)構(gòu)是大家討論的一個重點(diǎn)？原位同步輻射X射線(XRD)技術(shù)在一定程度上可以解決高熵合金在不同壓力和溫度下的結(jié)構(gòu)演化. 其中，北京科技大學(xué)呂昭平團(tuán)隊(duì)就利用同步輻射X射線技術(shù)發(fā)現(xiàn)高熵合金的多形性轉(zhuǎn)變機(jī)理，精準(zhǔn)的X射線結(jié)果表明，F(xiàn)CC(面心立方結(jié)構(gòu))為高溫穩(wěn)定相，HCP(六角密堆積)為低溫穩(wěn)定相[1].總的來說，目前實(shí)驗(yàn)成本高，而且從更微觀角度出發(fā)，還是不能完全直觀的表征出微觀結(jié)構(gòu)的相穩(wěn)定性及力學(xué)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，分子模擬就可以作為有效的工具在來判定不同應(yīng)力加載條件下其對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)理.

關(guān)于高熵合金的抗壓縮和拉伸能力的研究在工程領(lǐng)域具有非常高的應(yīng)用價(jià)值. 目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示單一相的FeCoCrNi合金在鑄態(tài)下具有優(yōu)良的延展性，但是其對應(yīng)的硬度較低(HV).前人的工作在FeCoCrNi合金的基礎(chǔ)上分別添加了Mn, Al, B等元素，但是結(jié)果卻不同. 劉源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：Al含量的增加會增加FeCoCrCuNi合金的硬度，當(dāng)時也帶來了材料由塑性向脆性轉(zhuǎn)變[12]. 最近，侯麗麗等人對為FeCoCrCuNi添加B元素進(jìn)行了研究，得出B元素可以有效提高高熵合金的綜合力學(xué)特[13].那么微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)響應(yīng)的變化存在怎么的關(guān)系呢？這個問題也引發(fā)了我們的思考.如何從微觀原子構(gòu)象演化去探測結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性其中的機(jī)理，這對于實(shí)驗(yàn)無疑是一個巨大的挑戰(zhàn).

材料在生產(chǎn)加工及輻照損傷中不可避免的會產(chǎn)生裂紋或者孔洞及微裂紋，然而，往往就是因?yàn)檫@些缺陷會導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生改變[14-16]. 但是，目前高熵合金作為一種新興的材料，相關(guān)的研究特別是從原子層面出發(fā)研究其力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)的模擬實(shí)驗(yàn)非常有限. 分子動力學(xué)模擬由于其本質(zhì)的原子追蹤能力，可以作為一種有效的工具彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足[17, 18]. 本文通過原子層面的分子動力學(xué)方法，選擇FeCoCrCuNi為研究對象. 主要考察了不同拉伸速率及孔洞大小對FeCoCrCuNi應(yīng)力響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)變化，為進(jìn)一步的高熵合金的工程應(yīng)用及對其微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識具有指導(dǎo)意義.

2計(jì)算模型與方法

本文選取FeCoCrCuNi高熵合金裂紋模型研究不同拉伸應(yīng)變速率下和孔洞大小對于其拉伸過程中力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)的影響. 我們選取裂紋模型的晶胞的大小為141.162(?) ×71.46 (?) ×35.73(?)，其中，裂紋的長寬分別為31.257(?)和7.146(?)，如圖1a所示. 圖1b到圖1d分別給出包含孔洞大小為5.46(?),7.287(?)和9.109(?)的裂紋模型結(jié)構(gòu).在整個模擬過程中， x方向采用自由邊界，y和z 方向采用周期性邊界. 首先，對4 種初始構(gòu)型弛豫，達(dá)到能量穩(wěn)定狀態(tài)；然后采用NPT 恒溫恒壓系綜在300 K下自由弛豫50000步，使整個模擬過程溫度保持在300 K不變.FeCoCrCuNi高熵合金單晶對應(yīng)的是面心立方(FCC)結(jié)構(gòu).最后，對弛豫后的構(gòu)型沿z 方向進(jìn)行均勻拉伸，加載應(yīng)變速率分別為1×107s-1，1×108s-1和1×109s-1，時間步長為2×10-15s.

本文所有的計(jì)算都是采用lammps動力學(xué)軟件代碼進(jìn)行的，F(xiàn)eCoCrCuNi高熵合金原子間的相互作用勢來源于 Farkas等人給出的嵌入原子方法(embedded atom method，EAM)[19].該原子相互作用勢參數(shù)可以準(zhǔn)確有效的給出FeCoCrCuNi高熵合金的對應(yīng)的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)演化過程.結(jié)果分析中，我們采用的是開放性可視化工具(open visualization tool，OVITO)進(jìn)行的[20]，對于近鄰結(jié)構(gòu)演化的分析我們采用的是比較成熟可靠的公共近鄰分析法(common neighbor analysis，CNA)判斷的.

3結(jié)果與討論

3.1不同拉伸應(yīng)變速率下FeCoCrCuNi高熵合金裂紋模型的力學(xué)及微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)理

圖2給出了FeCoCrCuNi高熵合金在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，我們選取的應(yīng)變速率分別為1×107s-1，1×108s-1和1×109s-1. 可以看出，在三個應(yīng)變速率下，裂紋模型在應(yīng)力作用下都發(fā)生了彈性形變，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力快速增長到最大，然后開始緩慢的減小并沒有發(fā)生脆性斷裂，從而可以判定FeCoCrCuNi高熵合金是一種典型的塑性形變合金.而且，在三個應(yīng)變速率下隨著應(yīng)變速率的增加，過沖應(yīng)變(εσ)和過沖應(yīng)力(σmax)都會隨應(yīng)變速率的增加而增加. 其中,εσ和σmax對應(yīng)的值分別為0.09，0.11, 0.158 和8.48，9.89, 15.63 GPa. 為什么發(fā)生塑性形變及應(yīng)力的變化和結(jié)構(gòu)的變化存在怎樣的關(guān)系引起了我們的關(guān)注？

為了進(jìn)一步解釋不同應(yīng)變速率下應(yīng)力響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，我們給出裂紋模型中不同晶體結(jié)構(gòu)的演化過程，如圖3所示.在圖中綠色原子代表FCC 結(jié)構(gòu)原子，銅黃色代表BCC結(jié)構(gòu)原子，白色原子代表錯排和混亂原子(界面原子、間隙原子).觀察裂紋模型室溫下(300 K)下的弛豫模型結(jié)構(gòu)，我們并沒有發(fā)現(xiàn)原子由于裂紋而產(chǎn)生的孔洞結(jié)構(gòu)，表明FeCoCrCuNi高熵合金具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.在低應(yīng)變速率下，觀察ε=0.05時的結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)除了裂紋尖端原子發(fā)生原子錯排和混亂之外，模型其它地方基本都保持著FCC結(jié)構(gòu)，這主要是由于裂紋尖端極易發(fā)生應(yīng)力集中，造成附近原子晶格錯排，導(dǎo)致滑移位錯的形成.在應(yīng)力過沖點(diǎn)附近，除了裂紋尖端原子錯排之外，體系其它地方也會存在一些空位，這些空位進(jìn)而會導(dǎo)致晶體界面的位錯，位錯在應(yīng)力作用下沿與拉伸應(yīng)力呈45°的方向(即[011]晶向)滑移[30]，進(jìn)而就會產(chǎn)生應(yīng)力的進(jìn)一步下降.隨著應(yīng)變速率的增加結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生更多的空位原子結(jié)構(gòu)，而這些空位結(jié)構(gòu)就會讓體系變成一個多晶結(jié)構(gòu)，晶體和晶體之間的界面就是產(chǎn)生HCP晶體結(jié)構(gòu)，而這樣的結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步阻礙晶體發(fā)生脆性斷裂.

圖 1 (a) FeCoCrCuNi高熵合金初始裂紋模型;(b-d)含有孔洞結(jié)構(gòu)的FeCoCrCuNi高熵合金初始裂紋結(jié)構(gòu)模型.Fig. 1 Initial models of FeCoCrCuNi high-entropy alloy with different sizes of voids.

圖3 FeCoCrCuNi高熵合金在不同軸向拉伸速率下裂紋結(jié)構(gòu)演化過程:(a)1×107 s-1，(b)1×108 s-1和(c)1×109 s-1Fig. 3 Evolutions of atomic configurations of FeCoCrCuNi high-entropy alloy under different stretched rates: (a)1×107 s-1，(b)1×108 s-1 and (v)1×109 s-1

3.2包含不同尺寸孔洞結(jié)構(gòu)的FeCoCrCuNi高熵合金力學(xué)及微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)理

圖 4 給出了不同孔洞尺寸對于FeCoCrCuNi高熵合金力裂紋模型軸向應(yīng)力響應(yīng)的影響. 不難看出，隨著孔洞大小的增大，體系的屈服應(yīng)變和最大應(yīng)力值都在減小. 從而，我們可判定孔洞會直接影響FeCoCrCuNi高熵合金結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和延展性.

為了進(jìn)一步解釋孔洞對力學(xué)和塑性的影響，圖5中給出了不同應(yīng)變下體系對應(yīng)的裂紋和原子結(jié)構(gòu)演化過程.對比圖5a和圖5b，不難發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)力作用下，孔洞附近的原子開始熔融，形成新的裂紋尖端并且孔洞的大小進(jìn)一步增加，但是裂紋擴(kuò)展主要還是沿著原始邊界裂紋進(jìn)行擴(kuò)展的.隨著孔洞尺寸的不斷增加，不難發(fā)現(xiàn)孔洞間會形成新的裂紋，這樣就會進(jìn)一步減小FeCoCrCuNi高熵合金結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)變和屈服應(yīng)力大小. 從原子結(jié)構(gòu)的演化，不難發(fā)現(xiàn)，孔洞的大小也會影響影響多晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，這也是屈服應(yīng)力降低的原因. 通過孔洞原子模型的分析，還可以確定，孔洞間發(fā)生斷裂主要還是沿著與軸向應(yīng)力45°的方向擴(kuò)展.

圖4 包含不同空洞大的FeCoCrCuNi高熵合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Stress-strain curves of FeCoCrCuNi high-entropy alloy with different sizes of voids.

4結(jié) 論

本文通過分子動力學(xué)方法研究了FeCoCrCuNi高熵合金裂紋和孔洞結(jié)構(gòu)在不同軸向拉伸速率下的力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)理.

(1)應(yīng)變速率越高FeCoCrCuNi裂紋結(jié)構(gòu)對應(yīng)更高的過沖應(yīng)變和過沖應(yīng)力，其主要原因是高拉伸速率會導(dǎo)致高強(qiáng)度的BCC結(jié)構(gòu)及孿晶結(jié)構(gòu)的生成，而BCC結(jié)構(gòu)及孿晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生進(jìn)而會抑制應(yīng)力的下降，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可知FeCoCrCuNi裂紋模型在軸向應(yīng)力作用下表現(xiàn)為塑性形變.

(2)孔洞尺寸越大, FeCoCrCuNi裂紋結(jié)構(gòu)對應(yīng)的過沖應(yīng)變和過沖應(yīng)力越小，其主要原因是大尺寸的孔洞造成孔洞之間產(chǎn)生裂紋的，進(jìn)而會影響這個材料的屈服應(yīng)變和屈服強(qiáng)度.