考慮晶體取向的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金動態力學性能研究

摘要： 鑒于高熵合金材料（high-entropy alloy， HEA）在高應變率動態響應下呈現不同的破壞模式及力學性能，其潛在機理從宏觀角度已不能夠完全解釋，需從微觀角度研究其動態響應過程中的原子結構變化、位錯分布變化、演變機理及變形機制，為優化HEA 防護材料的加工工藝、制備方法等提供參考。利用分子動力學模擬的方法，設計了[100]、[110] 和[111] 等3 種取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金在不同應變率下的壓縮、拉伸及沖擊試驗，分析了動態響應過程中原子結構變化、位錯分布變化、演變機理及變形機制。壓縮試驗中：[110] 取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的屈服強度最高，[111] 的次之，[100] 的最低；[100] 取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金主要的變形機制為孿晶變形，[110] 的為滑移變形， [111] 的為位錯變形。拉伸試驗中： [111] 取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的屈服強度最高， [100] 的次之，[110] 的最低；[100] 取向結構Al0.3CoCrFeNi 高熵合金拉伸過程中孿晶結構較多，[110] 取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金產生較規則的密排六方結構滑移面，[111] 取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金不會產生任何滑移面。隨著應變率的升高， 3 種取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金壓縮和拉伸屈服強度均大幅度提高，對應伸長量增大。較低應變率（1×109 s?1）下的塑性變形機制主要為滑移變形，但滑移系較少；中應變率（1×1010 s?1）下的塑性變形機制是以滑移為主的變形機制， 但滑移系較多； 高應變率（ 1×1011 s?1） 下的塑性變形機制是由原子排列無序化的非晶原子誘導的變形。[110] 取向結構的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的抗沖擊性能最好，與其具有最高的屈服強度，并且在屈服結束階段也能保持最高的應力有關。

關鍵詞： 晶體取向；高熵合金；變形機制；微觀演變；分子動力學

中圖分類號： O347.3 國標學科代碼： 13015 文獻標志碼： A

金屬材料的動態力學性能一直是沖擊防護領域關注的重點，廣泛的動態響應研究[1-5] 表明，金屬材料在不同應變率下產生的破壞模式具有明顯的區別[3-4， 6-8]，且金屬材料的屈服強度及應變硬化具有明顯的應變率效應[9-11]。

大量研究結果揭示了金屬動態力學性能，探索了一系列高應變率加載作用下的應力-應變變化規律，但并不能從內在本質上解釋產生這種規律的原因及潛在的機理，特別是對金屬材料在高應變率加載作用下所產生的不同破壞模式及力學性能的機理研究不足，這對防護結構的設計及材料的研究帶來了巨大的阻礙[12]。以上差異現象形成的原因從宏觀角度已不能夠完全解釋，因此，需從微觀角度研究動態響應過程中發生的原子結構變化、位錯分布變化、演變機理及變形機制，從而揭示高應變率加載作用下動態力學性能的潛在機理。

目前，對金屬材料在高應變率加載作用下的微觀結構演化及變形機制還未清晰，造成相關研究較少的主要原因是缺乏對高應變率加載作用下材料微觀變形的表征手段，不能夠對高應變率下材料微觀變形的全過程進行分析。分子動力學作為一種微觀尺度模擬手段，廣泛應用于金屬材料微觀力學性能和缺陷演化行為的研究，可從微觀的角度分析變形過程中應力、應變、能量和缺陷的變化趨勢，探討材料的屈服和斷裂機制[13-15]。因此，可采用分子動力學模擬的手段進行動態響應過程中微觀原子結構變化、位錯分布變化、演變機理及變形機制的研究。

高熵合金（high-entropy alloy， HEA）[16-17] 的組成成分與傳統合金材料不同，通常含有5 種或更多種主元素，每種元素的物質的量濃度相近，并表現出高構型熵。由于成分復雜，HEA 表現出4 種核心效應，包括高熵、嚴重晶格畸變、緩慢擴散和雞尾酒效應[18]。大量試驗研究[19-25] 表明，HEA 具有優異的機械性能，如高強度、良好的延展性和優異的斷裂韌性，由于其優異的力學性能，特別是優異的應變硬化能力，HEA 在彈道防護領域應用潛力巨大[26]。最經典的高熵合金材料Al0.3CoCrFeNi，其組成結構及力學性能已被廣泛研究[27-33]，Diao 等[28]、Kireeva 等[29] 和Yasuda 等[31] 研究發現，相同Al0.3CoCrFeNi 高熵合金材料的力學性能并不完全一致，例如拉伸屈服應力和拉伸量等有所差異。產生此現象的原因是Al0.3CoCrFeNi高熵合金微觀組成結構復雜，由多種取向結構的原子晶體結構組成。各研究中制備工藝有較大差異，導致所獲得的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金由多種復雜晶體取向的單晶結構構成[34-37]，而以上研究并未對不同晶體取向結構的影響進行深入研究。并且，現實中絕大多數動態沖擊及加載會導致復雜的三維空間變化狀態，使得應力及變形分析變得困難或不可能。通過對HEA 材料進行原子級的單晶小尺度模擬研究（位錯動力學、分子動力學或晶體塑性模型等），可揭示真實的變形機制，并從低維尺度向高維尺度提供研究基礎[38]。因此，研究單晶的力學特性，可揭示復雜多晶的變形機制，為宏觀模型多維度分析提供指導。

對于單質的不同取向的研究開展得較早，且相對廣泛。Huang 等[39] 通過分子動力學模擬揭示了[110]、[100] 及[111] 等3 種晶體取向對單晶Fe 力學性能和微觀形變的影響。Zhang 等[40] 對沿[001] 和[110] 方向取向的Fe 納米柱在300 K 的恒溫條件下進行了拉伸模擬試驗，結果顯示，2 種不同取向的Fe 納米柱的拉伸變形機制不同。Dash 等[41] 研究評估了單晶Ta 沿[100]、[110] 和[111] 等3 個晶體取向的應力-應變曲線和屈服強度的變化，并分析了應變硬化能力，揭示了材料在高速沖擊載荷下的動態力學響應行為。根據實際應用，對化合物的研究也相繼展開。Islam 等[42] 研究了[100]、[110] 和[111] 等3 種不同晶體取向結構的閃鋅礦（ZnTe）的力學性能和斷裂機制，[110] 取向的ZnTe 在高應變率下發生異常變形，出現了不尋常的短程和長程有序晶體結構，具有明顯的應變率敏感性。Xu 等[43] 研究了晶體取向（[100]、[110] 和[111]）對單晶尖晶石（MgAl2O4）納米線拉伸變形力學性能的影響，發現MgAl2O4 的彈性模量和極限抗拉強度等力學性能明顯依賴于晶體取向。隨著新型材料高熵合金的發展，關于其相關的研究目前在快速發展[9， 12， 34-37， 44]，對于晶體取向影響的探索也在全面展開。Qi 等[45] 利用納米壓痕技術研究了[001]、[110] 和[111] 等3 種晶體取向對CoCrFeMnNi 高熵合金的力學響應和微觀結構演變的影響。Zhang 等[46] 在3 個取向（ [100]、[110] 和[111]）上對單晶體心立方（ body-centered cubic， BCC）AlCrFeCoNi 納米柱進行了原位單軸壓縮，發現其位錯機制依賴于納米柱的晶體取向。

目前，針對不同取向結構對Al0.3CoCrFeNi 高熵合金動態力學性能的影響還缺乏系統的研究。因此，為深入了解Al0.3CoCrFeNi 高熵合金在動態響應過程中的微觀演變過程，迫切需對其單一取向晶體結構的納米柱進行高應變率加載下的力學性能研究，以便探索其動態力學性能。

本文中，采用分子動力學模擬的方法，針對Al0.3CoCrFeNi 高熵合金，設計[100]、[110] 和[111] 等3 種不同取向結構的納米柱，對該納米柱進行不同應變率的壓縮、拉伸及沖擊試驗，分析動態響應過程中原子結構變化、位錯分布變化、演變機理及變形機制，探討影響其性能變化的微觀機理，以期為優化高熵合金防護材料的加工工藝、制備方法等提供參考。