典型高熵合金力学行为与相结构预测研究进展.docx

随着工业的发展，传统的合金材料已无法完全满足越来越严苛的应用需求，为此科研人员进行了诸多探索。2004年，提出了新型多主元高熵合金的设计概念。在近几十年的时间里，高熵合金得到了迅速发展。目前，科研人员通过真空感应熔炼法、磁控溅射法、机械合金化等方法成功制备出块状高熵合金、高熵合金薄膜、高熵合金丝材和高熵合金粉末等。

高熵合金因具有热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应与性能上的鸡尾酒效应等而具有高强度、高硬度与高塑性的特点，同时兼具优异的耐腐蚀与抗辐照。目前，高熵合金已经发展到高熵非晶、高熵薄膜等，一些高熵合金已经作为功能和结构材料应用在较为苛刻的服役环境中。

大量研究表明，高熵合金具有稳定非热力学平衡的相结构，典型的高熵合金相包括面心立方（FCC）相、体心立方（BCC）相、密排六方（HCP）相等固溶体相以及非晶相，而高熵合金的相结构对其力学行为有重要影响，因此有效的相结构预测对合金的成分设计有至关重要的作用。

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典型相结构高熵合金的力学行为

FCC相高熵合金的力学行为

FCC相高熵合金的典型代表为FeCoCrNiMn高熵合金，该合金具有优异的塑性变形能力。

研究发现：在93K低温下，FeCoCrNiMn高熵合金具有高强度和良好的延展性，同时具有很强的应变硬化能力；相比于室温下合金的变形只涉及全位错运动，在低温条件下，合金存在多种变形机制，包括变形孪晶、部分和完全位错滑移以及晶界的多重滑移，这一系列微观机制的协同作用使得该合金获得高强度的同时，有效地延迟了单轴拉伸时局部塑性失稳的发生，因此在低温条件下该合金表现出极其优异的塑性变形能力。

将经过塑性变形的FeCoCrNiMn高熵合金在900℃保温1小时，发现合金在高温条件下未发生相变，表现出良好的相稳定性。在此基础上，FU等通过热机械加工的方法将铸态FeCoCrNiMn高熵合金的树枝状组织分解获得均匀的等轴晶，通过细晶强化的方法有效提高了该合金的强度，为进一步改善其力学性能奠定了基础。

BCC相高熵合金的力学行为

相对于传统的BCC相合金，BCC相高熵合金的晶格畸变更加严重，有序结构的长程有序度明显降低。BCC相高熵合金通常具有较高的强度，但是塑性有限。BCC相高熵合金的典型代表是AlCoCrFeNi系高熵合金。

研究发现，随着凝固冷却速率的增加，AlCoCrFeNi高熵合金枝晶间的成分偏析减少，微观结构更加均匀，合金的强度和塑性均得到大幅提高；该成果为提高BCC相高熵合金的塑性提供了新的技术方法。

向AlCoCrFeNi高熵合金中添加钛元素后发现，AlCoCrFeNiTix合金具有良好的室温压缩性能，其中AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金的屈服强度、抗压强度和塑性应变分别高达2.26GPa、3.14GPa和23.3%，均优于大多数高强度合金。

通过对冷轧后的BCC相TaNbHfZrTi高熵合金进行退火再结晶处理，使合金获得了均匀的等轴晶，断后伸长率提升了10%。

通过控制退火温度使TaNbHfZrTi高熵合金的断后伸长率由15%增加到20%。

?综上，BCC相高熵合金具有较高的强度，可以通过提高凝固冷却速率、添加合金元素等方法同时提高其强度和塑性。

HCP相高熵合金的力学行为

HCP相高熵合金主要包括由稀土元素组成的高熵合金、由贵金属组成的高熵合金和通过相变产生的高熵合金这3种类型。由稀土元素组成的HCP相高熵合金通常具有较强的应变硬化能力。

研究发现，铸态HCP单相HfZrTiSc高熵合金在室温下的屈服强度达698MPa，预变形后的屈服强度提高了2倍，达到1410MPa。

研究发现，GdHoLaTbY高熵合金既具有良好的高温稳定性，又具有较强的应变硬化能力。

研究发现，ScTiZrHf高熵合金经过长时间热处理后仍能保持原有的单相HCP结构，表现出良好的相稳定性。由贵金属组成的HCP相高熵合金具有较好的相稳定性。

研究发现，Ir0.19Os0.22Re0.21Rh0.20Ru0.19高熵合金在1500K高温和45GPa高压条件下仍然保持稳定的相结构，同时该合金具有很高的电催化活性，可以作为电化学反应中稳定的电催化剂。

研究表明，NbMoReRuRh系和NbMoRuRhPd系HCP相高熵合金具有优异的导电性。通过相变制备的HCP相高熵合金的硬度较相变前更高。

研究发现，当压力大于20GPa时，FeCoCrNiMn高熵合金将发生FCC→HCP相变，在约40GPa时FCC相几乎完全转变为HCP相，相变后合金的硬度由165HV提高到334HV。

将BCC单相HfNbTaTiZr高熵合金在600℃下时效处理10小时后，合金发生BCC→HCP相变，显微硬度得到了明显提高。

多相高熵合金的力学行为

相结构是影响高熵合金力学性能的重要