《Alloys and Compounds》：基於本構模型的共晶高熵合金力學行為定量分析

2020-09-21 特鑄雜誌

2004年以來，人們對高熵合金（HEAs）的製備、微觀結構、相組成和特性進行了深入研究，其具有的高強度、高硬度、耐腐蝕性好、熱穩定性高等一系列優良的力學性能，使其無論是作為結構材料還是功能材料，都具有廣闊的應用前景。然而，大量的高熵合金為固溶體合金，鑄造流動性差，宏微觀成分偏析，限制了HEAs的大規模工業應用。為此，引入了共晶高熵合金（EHEAs）的概念，通過改變主元素含量來調整合金的力學性能。

目前，AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金微觀組織變形機理的實驗研究已經比較成熟。然而，對於共晶合金的高強度和高塑性，還沒有合適的理論來解釋，也沒有相關的本構模型能夠更全面、更準確地描述其力學性能。近日，南京工業大學周劍秋教授團隊建立了基於實驗微觀組織的力學理論模型，研究了FCC相、BCC相和相界對合金材料整體力學性能的影響，研究成果以「A quantitative understanding on the mechanical behavior of AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy」為題發表於期刊《Journal of Alloys and Compounds》上，證實了力學模型能夠驗證AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的實驗研究數據，為後續共晶合金材料的研究提供了一定的理論依據。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156610


文中建立了AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的本構模型。基於EBSD圖和拉伸試驗結果，發現了材料的BCC相中出現了夾雜物相，因此採用Mori-Tanaka均勻化方法和Eshelby等效包裹體理論對其進行了數值模擬以分析複合材料的力學行為。

共晶相界的應力對合金材料的整體力學性能有很大的貢獻。相界不僅阻礙了位錯的運動，而且促進了背應力的產生，改善了材料的塑性變形和加工硬化性能。在FCC相的變形過程中，由於兩種不同滑移系統的相互作用，形成了位錯亞結構，阻礙了位錯滑移，提高了FCC相的強度。在共晶組織中，FCC和BCC相的體積比直接影響材料的塑性變形能力。共晶合金材料的強度隨著FCC相含量的增加而增加，但當FCC相含量增加到兩相強化效果減弱時，材料的強度降低。

在拉伸變形過程中，合金BCC相中產生了納米沉澱。其具有釘扎位錯的作用，對高熵合金材料的力學性能有重要影響。隨著塑性變形的加劇，越來越多的位錯聚集在納米析出物表面，阻礙了位錯的運動，導致應變硬化速率的提高，最終提高了合金材料的強度和韌性。因此，納米沉澱對相對高熵合金材料的力學性能有很大的影響。

最後，文中還提到了應變速率對材料的影響。應變速率越高，位錯密度越大，位錯強化機制在塑性變形過程中的作用越顯著。同時，位錯的增加抑制了材料的變形過程，提高了材料的加工硬化能力。當位錯增加到飽和狀態時，位錯強化作用減弱，隨後相界面強化和沉澱強化開始起作用。

綜上所述，理論計算結果與文中的實驗數據吻合較好，證明了模型的準確性。結果表明，共晶相界面和背應力能在一定程度上提高材料的強度和塑性，同時EHEAs的力學性能對兩相體積比、納米沉澱相和應變速率非常敏感。此外，該研究為通過優化材料結構參數來設計具有優良力學性能的EHEAs提供了理論框架。

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