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華南理工發表國際塑性頂刊：準等熵壓縮下多主元合金的相變行為研究

2022-07-29 15:58:53 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文利用大規模分子動力學模擬，通過準等熵壓縮加載對CoCrNi多主元合金的相變路徑展開系統研究。研究表明，多主元合金的相變行為與加載晶向、應變率、壓力以及內部化學短程序結構等因素密切相關。其中，沿圖片晶向加載，化學短程序在變形初期誘導產生的異常體心立方（BCC）團簇結構使得材料的初始塑性行為與應變率無關。而沿圖片晶向加載的結果則表明高應變率可誘導材料發生固態非晶化轉變。多重相變路徑的存在與相互競爭不僅凸顯出多主元合金的多態性，同時也為滿足極端服役環境的材料性能提升提供了新的調控思路。

多主元合金較低的層錯能往往能夠在變形中誘發馬氏體相變，子相和母相的協同變形（TRIP）及相界面帶來的強化效果在一定程度上改善了材料的強韌制約關系。運用該策略有望改善多主元合金在極端環境下的力學性能。然而，高應變率加載下溫度和壓力的耦合導致目前的研究尚未厘清影響多主元合金相變行為的關鍵因素。此外，近年來備受關注的化學短程有序結構在TRIP行為中所扮演的角色也有待探究。

基于上述問題，華南理工大學姚小虎教授課題組與美國加州大學圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授課題組及斯坦福大學簡武榮博士開展合作，通過大規模原子模擬方法對多主元合金塑性變形的各向異性與應變率敏感性以及多重相變路徑的競爭關系進行研究。相關成果以“Phase transition in medium entropy alloy CoCrNi under quasi-isentropic compression”為題發表在固體力學頂刊International Journal of Plasticity上。華南理工大學博士生謝卓成為第一作者，合作作者還包括加州大學圣芭芭拉分校Shuozhi Xu博士以及華南理工大學張曉晴、張閏教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103389

為了將高應變率加載下的溫升與高壓在一定程度上解耦，研究者采用了準等熵壓縮加載的方式對多主元合金的塑性變形與相變行為展開研究。該加載方式對應壓力快速增加的同時，溫升以相對較慢速率呈現的變形過程，類似于現實中爆轟波引起的變形行為，其熱力學路徑如圖1（b）紅線所示。

圖1.不同熱力學路徑對應的(a)壓力-體積關系和（b）溫度-熵值關系。

沿不同晶向（圖片）的加載結果顯示，多主元合金圖片方向的屈服行為表現出應變率無關性，而圖片方向的屈服強度則與應變率呈正相關關系（圖2）。此外，沿圖片方向加載的溫升比圖片方向更加顯著。以上結果均表明材料的塑性變形具有顯著的各向異性。

圖2.不同加載晶向（圖片）在不同應變率（圖片—圖片）壓縮過程中的應力變化與溫升。

通過追蹤沿圖片方向加載時多主元合金變形初期的晶體結構演化與化學短程序分布發現，在彈性變形到塑性變形的過渡階段，材料傾向于在CoCr團簇聚集區域形成BCC結構的原子團簇（圖3），該團簇為塑性變形的前驅結構，將隨著變形的發展進一步誘導位錯成核的發生，引起更明顯的塑性變形。由于這種團簇結構的成核廣泛存在于不同應變率加載的情況中，并有利于位錯產生，因此多主元合金沿圖片方向加載的屈服行為表現出應變率無關性。

圖3. (a)-（c）沿圖片加載，材料變形初期的晶體結構和化學短程序分布；（d）-（e）不同應變率下，材料變形初期BCC團簇中的不同原子對占比。

對比沿不同晶向加載的塑性變形與相變過程表明，沿圖片方向加載產生的層錯堆疊引起材料發生面心立方結構（FCC）-密排六方結構（HCP）相變。在此基礎上，帶狀HCP相的相互作用進一步誘導材料發生HCP-BCC相變（圖4（a））。相反，沿圖片方向的塑性變形仍以位錯滑移為主導，當材料發生大變形且局部出現大量位錯累積和相互作用時，晶體結構可轉變為固態非晶結構（圖4（b）-（c））。隨著應變率的進一步增加，固態非晶化相變可發展成為塑性變形的主導機制（圖5）。

圖4.（a）-（c）不同加載晶向（圖片）的相變行為。

圖5.多重相變路徑對加載晶向及應變率的依賴關系。

通過對晶體相和非晶相的相對穩定性計算發現，CoCrNi多主元合金在基態下傾向于形成HCP結構，而在高壓下BCC結構則具有更好的相對穩定性。隨著溫度的升高，晶體相的相對穩定性均有所降低，非晶相的相對穩定性卻逐步提高，但非晶相的形成仍需克服極高的激活能壘。這也從另一個角度解釋了為什么非晶化相變通常在大變形階段或極端應變率加載條件下出現。

圖6.（a）不同溫度下隨機原子模型FCC相與HCP相的勢能差；（b）不同相在能量最小化過程中的勢能演化；（c）-（d）高壓下不同結構與FCC相的勢能差隨溫度的變化關系。

比較含不同化學短程有序度的多主元合金相變臨界壓力發現，化學短程序的存在提高了塑性變形的能壘，因此含化學短程序的多主元合金具有更高的FCC-HCP相變臨界壓力。同時，化學短程序的存在促進了局部的位錯累積和HCP相的相互作用，使得化學短程有序度更高的多主元合金具有較低的BCC相成核臨界壓力。而非晶相的出現則對高應變率有較強的依賴性（圖7）。