Effect of crystallographic orientations on shock-induced plasticity for CoCrFeMnNi high-entropy alloy

Molecular dynamics study of the effect of temperature on the shock response and plastic deformation mechanism of CoCrFeMnNi high-entropy alloys

“…CoCrFeMnNi 高熵合金原子之间的相互作用通过 Choi 等 [33] 提出的第二近邻 修正嵌入原子(2 NN MEAM)势函数进行描述，此势函数适用于 Co-Cr-Fe-Mn-Ni 多元合金体系的力学性能研究，已经得到固相的混合焓和晶格常数的验证 [33] ， 并成功应用于 CoCrFeMnNi 高熵合金的压缩和拉伸 [34] 、纳米压痕 [35] 和冲击压缩 [25,23,24]…”

“…子的排列情况在运动过程中调整滑移面，这使得位错之间的相互作用大大增加， 从而为高熵合金提供了更多变形的可能，所以高熵合金具有好的均匀变形能力 以及高强度的特性。高熵合金复杂的微观结构导致其内部的位错运动难以预测。 尤其是在冲击载荷作用下，高熵合金还要面临高温、高压和高应变率等极端变 形环境，原有的晶体材料的位错均匀成核机制不再完全适用于高熵合金。 目前对高熵合金变形机制的研究还处于探索阶段 [7][8][9] 。Zhang 等 [5] 认为高熵 合金的变形机制介于传统合金和非晶合金之间。传统晶态合金的变形机制包括 位错的滑移、攀移和变形孪晶等，非晶合金的变形则是通过剪切转变区、拉伸 转变区、自由体积和原子应力模型等进行分析 [10] 。建立冲击等高动态条件下高 熵合金的变形机制模型需要进一步研究。 自 Jiao 等 [11] 和 Kumar 等 [12] 发表了有关高熵合金的动态变形机制以来，相关 研究被陆续报道。戴兰宏等 [13] 利用分裂式霍普金森杆(Split Hopkinson tensile bar)实验揭示了 CrMnFeCoNi 高熵合金在冲击拉伸下孪晶和位错的协同作用机 制，这使得 CrMnFeCoNi 高熵合金同时具有较高的动态强度和塑性。戴兰宏等 [14] 通过平板冲击实验发现面心立方晶体结构(face-centered cubic，FCC) CrMnFeCoNi 高 熵 合 金 和 体 心 立 方 晶 体 结 构 (body-centered cubic，BCC) NiCoFeCrAl 高熵合金表现出相对较高的 Hugoniot 弹性极限和高相变阈值应力。 戴兰宏等和张先锋等 [15,16] 发现 WFeNiMo 高熵合金对钢靶的侵彻深度较钨合金 有明显提升，这是由于多相结构特别是微米级 µ 相析出物促进了非均匀变形， 使析出物与 FCC 基体之间产生了较大的应变梯度。在侵彻过程中，储存的能量 表现为与应变梯度相关的高密度位错，驱动动态再结晶软化，导致剪切带的形 成和由此产生的侵彻自锐行为。白书欣等 [17] 发现动态条件下 HfZrTiTa 高熵合金 表现出热塑性不稳定性，变形局限于绝热剪切带，并受到应变硬化、应变速率 强化和热软化的共同影响。Zhang 等 [18] 发现在动态加载下，由于位错拖拽机制 和位错热激活机制的共同作用，双相 BCC 结构 AlCoCr 1.5 Fe 1.5 NiTi 0.5 高熵合金的 屈服强度随着应变速率的增加而增加。上述试验研究为深刻理解高熵合金在高 动态条件下的变形机制提供了基础。 作为研究材料微观结构演化的重要手段，分子动力学(Molecular dynamics， MD)方法被广泛应用于材料的冲击响应研究。闻鹏等 [19] 综述了模拟材料冲击 的分子动力学方法，主要包括非平衡分子动力学(Non-equilibrium MD)和平衡 分子动力学(Equilibrium MD)两大类。同时总结了利用分子动力学方法可以 研究的相关材料冲击问题，如材料的冲击波结构、Hugoniot 弹性极限(HEL)、 冲击 Hugoniot 关系、冲击诱导相变、冲击诱导熔化、冲击变形图、破坏等。利 用分子动力学方法，丁向东和宗洪祥等 [20] 研究了 BCC 结构 TiZrNb 和 NiCoFeTi 高熵合金的冲击响应，发现了具有高稳定性的异常扩展刃型位错结构，其可以 促进更快的位错运动，从而阻止变形孪晶的早期成核。姚小虎等 [21,22] 对 CoCrNi 中熵合金进行了冲击压缩研究，发现随着冲击强度的上升，CoCrNi 中熵合金的 塑性变形机制从位错滑移和孪晶向固态非晶化(Amorphization)转变。同时发 现由于晶格畸变阻碍了位错的传播，CoCrNi 中熵合金的 HEL 表现出异常的各 向异性。Gunkelmann 等 [23,24] 研究了纳米结构高熵合金的冲击破坏现象，与单晶 高熵合金相比，纳米晶高熵合金的破坏强度明显降低，在冲击压缩和释放 (release)的过程中存在大量的堆垛层错、孪晶和位错。Liu 等 [25] 研究了晶体取 向对 CoCrFeMnNi 高熵合金冲击塑性的影响，发现 Mn 元素在 BCC 结构和无序 结构中占比相对较高，在 CoCrFeMnNi 高熵合金的冲击塑性中起着重要作用。 Sandeep 等 [26] 研究了晶格畸变和纳米孔洞对 CoCrCuFeNi 高熵合金冲击压缩行为 的影响，发现晶格畸变有助于降低冲击波传播速度，在较低的温度和冲击速度 下，晶格畸变效应更为显着。 材料的变形往往存在很强的温度敏感性，研究发现温度对 CoCrFeMnNi 高 熵合金的堆垛层错能 [27] 、拉伸和压缩塑性变形 [28,29] 、弹性模量以及热膨胀系数 [30][31][32] 都有显著影响。随着温度的升高，堆垛层错能逐渐增大，但堆垛层错能相 对于温度的斜率略有减小 [27] 。弹性模量随着温度的上升而下降 ...…”

Molecular dynamics study of temperature effects on shock response and plastic deformation mechanism of CoCrFeMnNi high-entropy alloys

“…利用分子动力学方法, Zhao等 [20] 研究了BCC结构TiZrNb和 NiCoFeTi高熵合金 的冲击响应, 发现了具有高稳定性的异常扩展刃型 位错结构, 其可以促进更快的位错运动, 从而阻 止变形孪晶的早期成核. Xie等 [21] 和Jian等 [22] 对 [23] 和 Thürmer 等 [24] 研究了纳米结构高熵合金的冲击破坏现象, 与单晶高熵合金相比, 纳米晶高熵合金的破坏强度 明显降低, 在冲击压缩和释放(release)的过程中 存在大量的堆垛层错、孪晶和位错. Liu等 [25] 研究 了晶体取向对 CoCrFeMnNi高熵合金冲击塑性的 影响, 发现Mn元素在BCC结构和无序结构中占 比相对较高, 在CoCrFeMnNi高熵合金的冲击塑 性中起着重要作用.…”

“…MD模拟使用的是开源程序LAMMPS [39] . 利 用多面体模板匹配(polyhedral template matching, PTM)方法 [40] 进行结构识别, 均方根偏差(root-mean-square deviation)选取为0.1 [24] . 使用OVITO [41] 进行后处理及可视化显示.…”

“…使用OVITO [41] 进行后处理及可视化显示. [24] 也发现了类似的 在较强冲击下高熵合金内部剪切应力P sh 出现负 值的现象. 当U p 为2.5和3.0 km/s时, 原子结构 发生非晶化(3.4节), 剪切应力转变为正值 [22] .…”