晶格畸变对高熵合金相稳定性及力学性能的影响

The severe lattice distortion, induced by the large atomic size mismatch of the alloy components, is one of the four core effects of high-entropy alloys (HEAs). It plays a key important in the thermodynamics, kinetics, deformation theory, and the unexpected mechanical behaviors of HEAs. Whereas the method of atomic radius difference based on the traditional atomic radii can’t be used to describe the true lattice distortion of HEAs, i.e. the atomic radius of the alloy component is dependent on the truly local environments. The exact description of magnitude of lattice distortion is one of the discussed keys and difficulties in HEAs. In this project, we propose a novel supercell model, in which every lattice site has similar local atomic environment, to describe the random distributions of the atomic species in HEAs. Based on ab initio calculations, we study the lattice distortion of 3d HEAs with face centered cubic structure, refractory HEAs with body-centered cubic structure, and rare earth HEAs with hexagonal closed pack structure. By extracting the effective potential surface from the calculations of ab initio molecular dynamics, we study the lattice vibration including the non-harmonic effect, further compute the Gibbs free energy containing electronic entropy, magnetic entropy and vibrational entropy to investigate the temperature dependent phase stability. Combining the modified solid solution strengthening model and ab initio molecular dynamics, we estimate the interatomic spacing and force in the distorted lattice to describe the effect of solid solution strengthening. The theoretical prediction model is checked and improved via the combination of experiments and calculations. Our aim is to clarify the magnitude of lattice distortion, to study the effect of lattice distortion on the phase stability, and to describe the contribution of lattice distortion to mechanical properties of high-entropy alloys.

大的晶格畸变被视为高熵合金的四个核心因素之一，对高熵合金的热力学特征、动力学行为、形变机制及优异的力学性能起着至关重要的作用，然而，采用原子半径差的方法不能真实反映合金原子在高熵合金的真实环境，精细描述晶格畸变的大小是高熵合金讨论的重点和难点之一。本项目通过发展面向高熵合金固溶体的具有相似局域原子环境的超胞方法，以面心立方、体心立方、六方密排三类典型单相高熵合金为研究对象，基于第一性原理计算，精细描述晶格畸变程度；通过从第一性原理分子动力学计算中提取有效势能面的方法，考虑包括非简谐效应的晶格振动，计算晶格畸变后电子熵、磁熵和振动熵在内的Gibbs自由能，揭示高熵合金在不同温度下的相稳定性；基于改进的固溶强化理论和第一性原理分子动力学计算，根据晶格畸变后原子间的空间分布和作用力，耦合晶格畸变与固溶强化效应，并进行实验验证；澄清晶格畸变的大小、阐明晶格畸变与相稳定性及其与力学性能间的内在机制。

高熵合金自发现以来，受到了越来越多研究人员的关注，已经扩充到包括高熵陶瓷和高熵聚合物等在内的高熵材料。“高熵”已经成为设计功能和结构材料的“秘方”之一。“高熵”自然带来了无序晶态材料的晶格畸变，是高熵合金大四效应之一，已经成为过去四年以及将来研究人员关注的热点之一。主要聚焦于如何描述晶格畸变，晶格畸变与相稳定性的关系，晶格畸变对性能的影响等方面。. 本项目结题报告围绕高熵合金的无序晶态材料的本征结构，如何描述局域原子环境、怎样精细刻画晶格畸变，晶格畸变对性能的影响等方面进行总结。从定义相似度函数，提出了优化的目标函数，进而将空间结构问题转化数学上的优化问题，发展了相似原子环境方法并开发了对应的模拟程序，此方法也可以描述短程有序 (已得到多个课题组使用)。结合第一性原理计算，得到了原子偏离理想格点的总体数值，定量描述了包括一定有序度在内的不同类型合金的晶格畸变程度，并将其拓展到高熵陶瓷的子格点无序描述中。. 以原子尺寸差较大的FeAl合金为例，定量分析了从A2-B2相变过程的局域磁态的变化规律，解释了晶格畸变与磁有序的耦合机制；模拟了包括磁熵、电子熵、组态熵在内的Gibbs自由能，揭示了高熵合金从FCC到L12相变的物理机制。以CoCrNi为例，讨论了短程有序有利用FCC相的稳定性，与实验报道吻合。以等摩尔比，实验上报道多个相的AlTiCrV合金为研究对象，通过定义有序度公式，概括了从完全无序的BCC到完全有序的Y型结构，揭示了实验上不易区分B2和L21相的原因。发现了对于理想无序情况，弹性常数对晶格畸变并不敏感，而具有一定有序的合金，晶格畸变对磁性和弹性常数非常敏感，并以NiCoFeCr为例，总结了弹性常数的变化与磁矩的变化规律。. 晶格畸变对结构和磁相变有着重要的影响。发展的相似原子环境方法结合第一性原理计算，可精确描述晶畸变的程度，观察局域原子环境的变化，进而可以研究晶格畸变对局域磁结构，基本的弹性力学常数以及相稳定的影响。