FeCoCrCuNi高熵合金裂紋及孔洞結構的力學與微觀構象演化的分子動力學模擬研究

董 斌， 王雪梅， 朱子亮

(濰坊科技學院, 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，抗腐蝕，抗脆性斷裂等方面展現出了非常突出的物理特性[1-5]. 隨著工業化發展的進步，對于材料特定性能的要求也越來越高，從而對于實驗技術的要求也越來越高.這就需要在原子層面對材料進行更精確的控制，所以研究高熵合金的微觀結構與力學特性具有很高的理論意義和應用價值.

關于高熵合金的微觀結構相結構的單一相的穩定性，一直都是研究者比較關心的問題[6-11].是否存在多相結構是大家討論的一個重點？原位同步輻射X射線(XRD)技術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構演化. 其中，北京科技大學呂昭平團隊就利用同步輻射X射線技術發現高熵合金的多形性轉變機理，精準的X射線結果表明，FCC(面心立方結構)為高溫穩定相，HCP(六角密堆積)為低溫穩定相[1].總的來說，目前實驗成本高，而且從更微觀角度出發，還是不能完全直觀的表征出微觀結構的相穩定性及力學響應與結構的關系，分子模擬就可以作為有效的工具在來判定不同應力加載條件下其對應的微觀結構演化機理.

關于高熵合金的抗壓縮和拉伸能力的研究在工程領域具有非常高的應用價值. 目前的實驗結果顯示單一相的FeCoCrNi合金在鑄態下具有優良的延展性，但是其對應的硬度較低(HV).前人的工作在FeCoCrNi合金的基礎上分別添加了Mn, Al, B等元素，但是結果卻不同. 劉源的實驗結果顯示：Al含量的增加會增加FeCoCrCuNi合金的硬度，當時也帶來了材料由塑性向脆性轉變[12]. 最近，侯麗麗等人對為FeCoCrCuNi添加B元素進行了研究，得出B元素可以有效提高高熵合金的綜合力學特[13].那么微觀結構與力學響應的變化存在怎么的關系呢？這個問題也引發了我們的思考.如何從微觀原子構象演化去探測結構和力學特性其中的機理，這對于實驗無疑是一個巨大的挑戰.

材料在生產加工及輻照損傷中不可避免的會產生裂紋或者孔洞及微裂紋，然而，往往就是因為這些缺陷會導致力學性能發生改變[14-16]. 但是，目前高熵合金作為一種新興的材料，相關的研究特別是從原子層面出發研究其力學與微觀結構的模擬實驗非常有限. 分子動力學模擬由于其本質的原子追蹤能力，可以作為一種有效的工具彌補實驗的不足[17, 18]. 本文通過原子層面的分子動力學方法，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應力響應和微觀結構變化，為進一步的高熵合金的工程應用及對其微觀結構的認識具有指導意義.

2計算模型與方法

本文選取FeCoCrCuNi高熵合金裂紋模型研究不同拉伸應變速率下和孔洞大小對于其拉伸過程中力學和微觀結構的影響. 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(?)的裂紋模型結構.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 種初始構型弛豫，達到能量穩定狀態；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高熵合金單晶對應的是面心立方(FCC)結構.最后，對弛豫后的構型沿z 方向進行均勻拉伸，加載應變速率分別為1×107s-1，1×108s-1和1×109s-1，時間步長為2×10-15s.

本文所有的計算都是采用lammps動力學軟件代碼進行的，FeCoCrCuNi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可以準確有效的給出FeCoCrCuNi高熵合金的對應的結構及結構演化過程.結果分析中，我們采用的是開放性可視化工具(open visualization tool，OVITO)進行的[20]，對于近鄰結構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結果與討論

3.1不同拉伸應變速率下FeCoCrCuNi高熵合金裂紋模型的力學及微觀結構演化機理

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

為了進一步解釋不同應變速率下應力響應和微觀結構的關系，我們給出裂紋模型中不同晶體結構的演化過程，如圖3所示.在圖中綠色原子代表FCC 結構原子，銅黃色代表BCC結構原子，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)下的弛豫模型結構，我們并沒有發現原子由于裂紋而產生的孔洞結構，表明FeCoCrCuNi高熵合金具有很高的結構穩定性.在低應變速率下，觀察ε=0.05時的結構，可發現除了裂紋尖端原子發生原子錯排和混亂之外，模型其它地方基本都保持著FCC結構，這主要是由于裂紋尖端極易發生應力集中，造成附近原子晶格錯排，導致滑移位錯的形成.在應力過沖點附近，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，這些空位進而會導致晶體界面的位錯，位錯在應力作用下沿與拉伸應力呈45°的方向(即[011]晶向)滑移[30]，進而就會產生應力的進一步下降.隨著應變速率的增加結構中會產生更多的空位原子結構，而這些空位結構就會讓體系變成一個多晶結構，晶體和晶體之間的界面就是產生HCP晶體結構，而這樣的結構會進一步阻礙晶體發生脆性斷裂.

圖 1 (a) FeCoCrCuNi高熵合金初始裂紋模型;(b-d)含有孔洞結構的FeCoCrCuNi高熵合金初始裂紋結構模型.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構演化過程:(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構的FeCoCrCuNi高熵合金力學及微觀結構演化機理

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力響應的影響. 不難看出，隨著孔洞大小的增大，體系的屈服應變和最大應力值都在減小. 從而，我們可判定孔洞會直接影響FeCoCrCuNi高熵合金結構的力學特性和延展性.

為了進一步解釋孔洞對力學和塑性的影響，圖5中給出了不同應變下體系對應的裂紋和原子結構演化過程.對比圖5a和圖5b，不難發現軸向應力作用下，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一步增加，但是裂紋擴展主要還是沿著原始邊界裂紋進行擴展的.隨著孔洞尺寸的不斷增加，不難發現孔洞間會形成新的裂紋，這樣就會進一步減小FeCoCrCuNi高熵合金結構的屈服應變和屈服應力大小. 從原子結構的演化，不難發現，孔洞的大小也會影響影響多晶結構的產生，這也是屈服應力降低的原因. 通過孔洞原子模型的分析，還可以確定，孔洞間發生斷裂主要還是沿著與軸向應力45°的方向擴展.

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

4結 論

本文通過分子動力學方法研究了FeCoCrCuNi高熵合金裂紋和孔洞結構在不同軸向拉伸速率下的力學與微觀結構演化機理.

(1)應變速率越高FeCoCrCuNi裂紋結構對應更高的過沖應變和過沖應力，其主要原因是高拉伸速率會導致高強度的BCC結構及孿晶結構的生成，而BCC結構及孿晶結構的產生進而會抑制應力的下降，通過應力-應變曲線，可知FeCoCrCuNi裂紋模型在軸向應力作用下表現為塑性形變.

(2)孔洞尺寸越大, FeCoCrCuNi裂紋結構對應的過沖應變和過沖應力越小，其主要原因是大尺寸的孔洞造成孔洞之間產生裂紋的，進而會影響這個材料的屈服應變和屈服強度.