高熵合金中亚稳态相变诱导塑性强韧化机制研究

The new design concept in high entropy alloy (HEA), non-equal atomic ratio design, broadens the design space of alloys, allowing scientists to introduce different nanostructures and corresponding strengthening mechanisms in HEA. Among these mechanisms, the “meta-stable phase transformation mechanism” has attracted extensive attentions recently. However, the deformation mechanism of the transformation is much more complex than the other mechanisms. There is still a lack of comprehensive and in-depth mechanical interpretations of how the metastable phase transformation process carries plastic deformation and detailed interactions between phase boundaries and dislocations. Therefore, this project will focus on the “meta-stable phase transformation” in high entropy alloy, basing on the meta-atom potential which was developed by applicant in the early stage. In this project, a series of meta-atom potentials will be developed with different phase transformation mechanisms. The fitting targets of these potentials (free energies and energy barriers in phase transformation paths) will be precisely adjusted based on the data acquired from experiments and ab-initio calculations. Large-scale molecular dynamic simulation will be carried out afterwards to explore and understand alloy’s strengthening and toughing mechanism. The physical model of phase transformation toughing is developed based on the MD results and the experimental results from high-resolution electron microscopy to elucidate the detailed toughening mechanism in alloy deformation. This model will shed light on the optimal design of alloy in the future.

高熵合金的非等原子比设计思想，拓宽了合金的设计空间，使高熵合金中可以出现不同微结构及其对应的强韧化机制。其中，基于马氏体相变思想的“亚稳态相变机制”受到学术界的广泛关注。但该变形机制过程复杂，对于亚稳态相变过程如何承载塑性变形、相界面与位错相互作用机理等问题，尚缺乏全面和深入的力学解释。本项目将针对高熵合金中特有的亚稳态相变机制，以申请人前期完成的平均化介原子方法为基础，通过对母相与马氏体相自由能及其不同相变路径能垒的精细调节，发展出系列具有不同自由能差与相变路径的合金势函数。通过开展亚稳态相变过程的大规模分子动力学模拟，从原子尺度上探究和理解合金亚稳态相变强韧化的微纳米力学机制，辅以高分辨电子显微镜的实验结果，构建合金亚稳态相变增韧的物理模型。该项目将阐明亚稳态相变机制在合金强韧化过程中的作用机理，对合金的优化设计方案给予理论指导。

在本项目中，围绕高熵合金的亚稳态相变增韧机制，以平均化的介原子势函数为基础，通过对母相与马氏体相自由能、相变路径等重要材料参数的精细调节，发展出一系列具有马氏体相变机制合金势函数。展开系列大规模分子动力学模拟，从原子尺度上探究合金相变强韧化的微纳米力学机制，辅以高分辨电子显微镜的实验结果，构建合金亚稳态相变增韧的物理模型。.原位高分辨透射显微镜下发现亚稳态高熵合金Ta0.5HfZrTi存在反常超宽相界面机制。利用介原子模拟方法优化得到了该体系的合金势函数，并成功模拟得到单轴拉伸的情况下构型在裂纹尖端发生的BCCHCP马氏体相变过程，相变机制吻合Pitsch–Schrader位向关系，相界面厚度为3-5nm，与实验结果一致。通过对相变路径和相变能量的细致研究，确定亚稳态高熵合金中低相界面能与其相变路径中的低滑移能垒共同塑造了实验和模拟中观察得到的超宽相界面现象。.针对于Ta0.5HfZrTi高熵合金在循环加载下的相变变形机制展开了系列研究，发现循环加载下马氏体中出现复杂的位错网络结构，极大影响马氏体随后变形机制。通过逐步降低循环加载的最小应变，观察到亚稳态高熵合金的“循环疗愈效应”，马氏体中的位错缺陷会在循环加载的过程中逐步被马氏体相界面吸收。通过对Ta0.5HfZrTi中马氏体相变形核机制的研究，确定了两种典型马氏体形核模式，并通过弹性畸变能理论成功解释了亚稳态高熵合金中马氏体的形核机制与临界畸变能。.针对于Fe50Mn30Cr10Co10高熵合金的变形机制发展了对应合金势函数，并系统研究了由FCC到HCP的马氏体相变过程，籍此确定了两种典型的马氏体相变机制。针对于TiAlNb合金中的HCP+BCC双相结构发展了对应合金势函数，使其可准确描述钛合金中的位错及其相关马氏体相变机制。通过大规模分子动力学模拟，发现并确认了合金中位错交滑移机制与位错和晶界面的交互作用机理，模拟结果与实验结果高度吻合。.该项目的研究将对未来开展更多关于亚稳态高熵合金的相关研究铺平道路，为本课题组和国际与国内的不同课题组开展相关研究提供重要的工具支持和理论支撑。