考虑晶体取向的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金动态力学性能研究

摘要： 鉴于高熵合金材料（high-entropy alloy， HEA）在高应变率动态响应下呈现不同的破坏模式及力学性能，其潜在机理从宏观角度已不能够完全解释，需从微观角度研究其动态响应过程中的原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制，为优化HEA 防护材料的加工工艺、制备方法等提供参考。利用分子动力学模拟的方法，设计了[100]、[110] 和[111] 等3 种取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金在不同应变率下的压缩、拉伸及冲击试验，分析了动态响应过程中原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制。压缩试验中：[110] 取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的屈服强度最高，[111] 的次之，[100] 的最低；[100] 取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金主要的变形机制为孪晶变形，[110] 的为滑移变形， [111] 的为位错变形。拉伸试验中： [111] 取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的屈服强度最高， [100] 的次之，[110] 的最低；[100] 取向结构Al0.3CoCrFeNi 高熵合金拉伸过程中孪晶结构较多，[110] 取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金产生较规则的密排六方结构滑移面，[111] 取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金不会产生任何滑移面。随着应变率的升高， 3 种取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金压缩和拉伸屈服强度均大幅度提高，对应伸长量增大。较低应变率（1×109 s−1）下的塑性变形机制主要为滑移变形，但滑移系较少；中应变率（1×1010 s−1）下的塑性变形机制是以滑移为主的变形机制， 但滑移系较多； 高应变率（ 1×1011 s−1） 下的塑性变形机制是由原子排列无序化的非晶原子诱导的变形。[110] 取向结构的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的抗冲击性能最好，与其具有最高的屈服强度，并且在屈服结束阶段也能保持最高的应力有关。

关键词： 晶体取向；高熵合金；变形机制；微观演变；分子动力学

中图分类号： O347.3 国标学科代码： 13015 文献标志码： A

金属材料的动态力学性能一直是冲击防护领域关注的重点，广泛的动态响应研究[1-5] 表明，金属材料在不同应变率下产生的破坏模式具有明显的区别[3-4， 6-8]，且金属材料的屈服强度及应变硬化具有明显的应变率效应[9-11]。

大量研究结果揭示了金属动态力学性能，探索了一系列高应变率加载作用下的应力-应变变化规律，但并不能从内在本质上解释产生这种规律的原因及潜在的机理，特别是对金属材料在高应变率加载作用下所产生的不同破坏模式及力学性能的机理研究不足，这对防护结构的设计及材料的研究带来了巨大的阻碍[12]。以上差异现象形成的原因从宏观角度已不能够完全解释，因此，需从微观角度研究动态响应过程中发生的原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制，从而揭示高应变率加载作用下动态力学性能的潜在机理。

目前，对金属材料在高应变率加载作用下的微观结构演化及变形机制还未清晰，造成相关研究较少的主要原因是缺乏对高应变率加载作用下材料微观变形的表征手段，不能够对高应变率下材料微观变形的全过程进行分析。分子动力学作为一种微观尺度模拟手段，广泛应用于金属材料微观力学性能和缺陷演化行为的研究，可从微观的角度分析变形过程中应力、应变、能量和缺陷的变化趋势，探讨材料的屈服和断裂机制[13-15]。因此，可采用分子动力学模拟的手段进行动态响应过程中微观原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制的研究。

高熵合金（high-entropy alloy， HEA）[16-17] 的组成成分与传统合金材料不同，通常含有5 种或更多种主元素，每种元素的物质的量浓度相近，并表现出高构型熵。由于成分复杂，HEA 表现出4 种核心效应，包括高熵、严重晶格畸变、缓慢扩散和鸡尾酒效应[18]。大量试验研究[19-25] 表明，HEA 具有优异的机械性能，如高强度、良好的延展性和优异的断裂韧性，由于其优异的力学性能，特别是优异的应变硬化能力，HEA 在弹道防护领域应用潜力巨大[26]。最经典的高熵合金材料Al0.3CoCrFeNi，其组成结构及力学性能已被广泛研究[27-33]，Diao 等[28]、Kireeva 等[29] 和Yasuda 等[31] 研究发现，相同Al0.3CoCrFeNi 高熵合金材料的力学性能并不完全一致，例如拉伸屈服应力和拉伸量等有所差异。产生此现象的原因是Al0.3CoCrFeNi高熵合金微观组成结构复杂，由多种取向结构的原子晶体结构组成。各研究中制备工艺有较大差异，导致所获得的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金由多种复杂晶体取向的单晶结构构成[34-37]，而以上研究并未对不同晶体取向结构的影响进行深入研究。并且，现实中绝大多数动态冲击及加载会导致复杂的三维空间变化状态，使得应力及变形分析变得困难或不可能。通过对HEA 材料进行原子级的单晶小尺度模拟研究（位错动力学、分子动力学或晶体塑性模型等），可揭示真实的变形机制，并从低维尺度向高维尺度提供研究基础[38]。因此，研究单晶的力学特性，可揭示复杂多晶的变形机制，为宏观模型多维度分析提供指导。

对于单质的不同取向的研究开展得较早，且相对广泛。Huang 等[39] 通过分子动力学模拟揭示了[110]、[100] 及[111] 等3 种晶体取向对单晶Fe 力学性能和微观形变的影响。Zhang 等[40] 对沿[001] 和[110] 方向取向的Fe 纳米柱在300 K 的恒温条件下进行了拉伸模拟试验，结果显示，2 种不同取向的Fe 纳米柱的拉伸变形机制不同。Dash 等[41] 研究评估了单晶Ta 沿[100]、[110] 和[111] 等3 个晶体取向的应力-应变曲线和屈服强度的变化，并分析了应变硬化能力，揭示了材料在高速冲击载荷下的动态力学响应行为。根据实际应用，对化合物的研究也相继展开。Islam 等[42] 研究了[100]、[110] 和[111] 等3 种不同晶体取向结构的闪锌矿（ZnTe）的力学性能和断裂机制，[110] 取向的ZnTe 在高应变率下发生异常变形，出现了不寻常的短程和长程有序晶体结构，具有明显的应变率敏感性。Xu 等[43] 研究了晶体取向（[100]、[110] 和[111]）对单晶尖晶石（MgAl2O4）纳米线拉伸变形力学性能的影响，发现MgAl2O4 的弹性模量和极限抗拉强度等力学性能明显依赖于晶体取向。随着新型材料高熵合金的发展，关于其相关的研究目前在快速发展[9， 12， 34-37， 44]，对于晶体取向影响的探索也在全面展开。Qi 等[45] 利用纳米压痕技术研究了[001]、[110] 和[111] 等3 种晶体取向对CoCrFeMnNi 高熵合金的力学响应和微观结构演变的影响。Zhang 等[46] 在3 个取向（ [100]、[110] 和[111]）上对单晶体心立方（ body-centered cubic， BCC）AlCrFeCoNi 纳米柱进行了原位单轴压缩，发现其位错机制依赖于纳米柱的晶体取向。

目前，针对不同取向结构对Al0.3CoCrFeNi 高熵合金动态力学性能的影响还缺乏系统的研究。因此，为深入了解Al0.3CoCrFeNi 高熵合金在动态响应过程中的微观演变过程，迫切需对其单一取向晶体结构的纳米柱进行高应变率加载下的力学性能研究，以便探索其动态力学性能。

本文中，采用分子动力学模拟的方法，针对Al0.3CoCrFeNi 高熵合金，设计[100]、[110] 和[111] 等3 种不同取向结构的纳米柱，对该纳米柱进行不同应变率的压缩、拉伸及冲击试验，分析动态响应过程中原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制，探讨影响其性能变化的微观机理，以期为优化高熵合金防护材料的加工工艺、制备方法等提供参考。