华南理工大学《Acta Materiala》:局部化学涨落对CoCrNi中熵合金的动态力学响应!!
2021-10-22 11:45:47 作者:材料学网 来源:材料学网 分享至:

导读:由多主元合金(中熵合金和高熵合金)内部化学成分涨落引起的晶格畸变和化学短程序,是这类新型合金的典型特征之一,且对于缺陷演化和材料失效有重要的影响。本文使用混合蒙特卡洛/分子动力学方法以及大规模的分子动力学模拟,以晶格畸变和化学短程序作为切入点,对单晶和多晶CoCrNi在冲击加载下的力学行为、缺陷演化和层裂破坏特征进行了研究。结果表明,与纯金属不同,单晶中熵合金的雨贡纽弹性极限表现出异常的各向异性。原因在于晶格畸变的存在降低了位错成核的能垒,但提高了位错滑移需要克服的阻力。此外,孪晶出现于冲击压缩阶段,但在随后的卸载和拉伸阶段进一步发展。在这个过程中,晶格畸变可以通过减缓位错滑移而提高孪晶形成的可能性。在层裂阶段,单晶合金中孔洞成核于层错相交处或者冲击压缩产生的非晶态区域,且倾向于在Ni聚集区域形核。这与该区域存在由晶格失配引起的较大的拉伸应变有关。多晶材料的孔洞形核则位于晶界处的Ni聚集区域,一般为三重晶界节点,并随着晶界分离逐渐扩大。


尽管局部化学涨落对中熵合金缺陷演化的影响已通过准静态实验和恒定应变速率下的模拟得到证实,它们在冲击载荷下对变形和层裂机制的作用尚待研究。与准静态加载相比,冲击加载下应力波在材料内部的传播、反射和相互作用使得材料的局部应力状态不均匀。在这种一维应变、三维应力的加载条件下,材料内部的缺陷演化和破坏机理也更加复杂, 需要进一步研究。


在这里,华南理工大学姚小虎教授课题组联合广州理工大学王志华教授,与美国加州大学圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授课题组开展合作,使用大规模分子动力学、动态蒙特卡罗和晶体结构缺陷分析方法,对晶格畸变和化学短程序在冲击加载下不同变形阶段的作用和各阶段之间变形机制的相关性,以及由此引发的层裂破坏机理进行研究。相关研究成果以“Role of local chemical fluctuations in the shock dynamics of medium entropy alloy CoCrNi”为题发表在金属材料顶刊Acta Materialia上。华南理工大学博士生谢卓成为第一作者,合作作者还包括加州大学圣芭芭拉分校博士生简武荣(共同通讯作者),Shuozhi Xu博士以及华南理工大学张晓晴教授。


论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542100759X

 

为了将晶格畸变和化学短程序的影响区分讨论,研究者在构建具有不同化学短程有序度的CoCrNi中熵合金以外,还采用了整体材料性能等效于随机CoCrNi合金的平均原子模型。研究表明,雨贡纽弹性极限与位错成核以及位错滑移的难易程度有关。图1,对于平均原子模型,在滑移阶段,由于没有晶格畸变,滑移阻力较小,故弹性极限由位错成核决定。拥有更多可动滑移系的方向,在冲击加载下位错成核更容易启动,故方向的弹性极限低于方向。对于中熵合金,晶格畸变的存在使位错成核变得容易但却增加了位错滑移所需克服的阻力,因此位错滑移成为控制弹性极限的主要因素,故方向(更大的施密特因子对应更大的分剪应力)的弹性极限低于方向。而化学短程序同时增大位错成核及位错滑移所需克服的能垒,有助于进一步提高弹性极限。

图1.各模型在下的雨贡纽弹性极限

图2. 随机原子模型和平均原子模型层错、孪晶以及位错密度在下的演化过程


图2,对比随机原子模型和平均原子模型的缺陷密度,晶格畸变使位错滑移速度减慢,有利于位错间的相互作用,促进孪晶的形成。

图3. 具有化学短程序单晶模型中的孔洞成核


图3具有化学短程序的单晶合金中,Ni原子聚集区域对应更大的拉应变(原因是晶格失配:模型的晶格常数为(3.565 ), CoCr团簇 (3.592 ),Ni (3.507 )),因此孔洞倾向于在Ni原子聚集区域成核。

图4. 不同冲击速度下,孔洞的成核与演化


图4,不同冲击速度下,孔洞分别从两列层错的相交处或非晶态原子区域成核,这是因为层错相交处(低速冲击)或高速冲击压缩形成稀松的原子排列结构,为孔洞成核提供了初始成核源。成核位置均为Ni原子聚集区域。

图5. 孔洞生长及其与周围位错以及孪晶界的相互作用


图5,低速冲击下,孔洞通过吸附周围的位错不断长大;高速冲击下,孔洞沿着非晶态原子区域扩大。孔洞的生长有可能被周围的孪晶界所阻碍。

图6. 多晶中孔洞的成核与演化


图6,对于带有化学短程序的多晶合金,孔洞易于从三重晶界相交处的Ni原子聚集区域成核。孔洞成核后沿晶界上的Ni原子聚集区域扩展,材料最终因晶界分离而破坏。化学短程序使得合金的孔洞扩展路径更加崎岖(图7)。

图7. 多晶模型的层裂破坏形貌


以上研究结果有助于通过调控多主元合金的局部化学环境,改善其在极端条件下的力学性能。该工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金和面上项目基金的支持。


团队介绍:


华南理工大学姚小虎教授研究团队秉承“立足国家战略需求,聚焦前沿,开放包容”的研究思想,与国内外多家单位机构交流合作。国际上,与美国阿拉莫斯国家重点实验室、加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学、南加州大学、樟树农工大学联合开展多项研究工作,相关研究成果已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《Acta Materialia》、《Carbon》、《International Journal of Impact Engineering》等固体力学和材料领域顶级期刊上发表多篇论文。研究领域主要涉及非晶合金、多主元合金、碳化硅陶瓷、航空透明材料、聚合物软材料、碳纤维复合材料等在强动载下的变形、损伤和破坏机理。

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