1、本科毕业论文（20 届）AlCrCoFeNi 高熵合金微观组织结构分析所在学院专业班级 材料成型及控制工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： AlCrCoFeNi 高熵合金微观组织结构分析 1课题意义及目标通过本次毕业设计，了解分子动力学模型；学习分子动力学结构分析软件；分析 AlCrCoFeNi 高熵合金微观组织结构，并实验验证；分析高熵合金微观组织结构的形成规律，为合金成分设计提供理论指导。2主要内容1）学习分子动力学软件的应用。
2、2） 应用分子动力学软件计算室温下 AlCrCoFeNi 及 AlCrCoFe0.5Ni 高熵合金微观组织结构。3）通过 XRD 分析实验验证铁含量对高熵合金微观组织结构的影响规律。4）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1Greer AL.Cofusion by design J.Nature,1993,366(6453):303-304.2BakerH.Metals Handbook(10thed,Vol3)M.Ohio: ASM International,Metals Park,1992.3 叶均蔚，陈瑞凯高熵合金 科学发
3、展，2004,377:17-21.4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 广泛阅读相关文献，制定研究方案 3 月 3 日3 月 23 日2 学习分子动力学软件的应用 3 月 24 日4 月 13 日3 完成结构计算，中期检查 4 月 14 日5 月 4 日4 实验验证计算结果 5 月 5 日6 月 1 日5 完成毕业论文及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日审核人： 2015 年 12 月 15 日I高熵合金 AlCrCoFeNi 微观组织结构分析摘 要：高熵合金近年成为材料研究领域的的一块新阵地，高熵合金打破了传统合金设计理念（即以一种或两种元素为主要组元） ，在合金化理论方面有重大
4、意义。本论文研究选取 Al、Fe 两种常用的金属元素，采用真空电弧炉熔炼合金，通过改变 Fe 的摩尔含量研究该系列合金的微观组织结构及变化规律。应用分子动力学模拟软件计算室温下不同摩尔比的 AlFe 合金微观组织结构，并通过 XRD 分析实验验证铁含量对高熵合金微观组织结构的影响规律。研究发现：不同摩尔比的合金模拟结果 RDF 图显示，当 AlFe 合金中的 Fe 含量不断增加时，合金结构由晶体逐渐变化为非晶。纯铝为晶体，不同摩尔比的 AlFe 和AlFe 合金的径向分布函数 g（r）图在第二峰处出现了劈裂，标志着有非晶的形成，5.0其中 AlFe 合金的劈裂较为明显，模拟结果与 XRD 实验
5、数据相似。.关键词：高熵合金，微观组织结构，分子动力学模拟Microstructure analysis of AlCrCoFeNi High Entropy Alloy Abstract：In recent years high-entropy alloy become a new front in the field of materials research, it breaks the traditional alloy design concept (i.e., one or two elements as the main component) and has great sign
6、ificance in theory of alloying.Al and Fe ,two common metal element,selected in this paper are smelted in vacuum arc furnace. And we study the change of the microstructure of the series of alloys by changing the molar content of Fe. Molecular dynamics simulation software are used to calculate the mic
7、rostructure of different mole ratio of AlFe alloy at room temperature,and we verify the simulation results by XRD analysis erperiment.The study shows that simulation results RDF graphs of different mole ratio of alloy shows that the crystal structure of alloy changes into amorphous structure when th
8、e molar content of Fe increasing. Pure aluminium is crystal. The second peak split off in the radial distribution function figure of different mole ratio of AlFe alloy ,marking the formation of amorphous ,and the split of AlFe0.5 alloy are relatively obvious . The similulation result is consistent w
9、ith the data of XRD experiment. IIKeywords: High entropy alloy， Microstucture，Molecular dynamics simulation目 录1 绪论 .11.1 概述： .11.2 选题背景，研究目的及意义 .41.3 本课题研究的主要内容 .62 分子动力学方法简介 .72.1 引言 .72.2 分子动力学发展简介 .82.2 分子动力学基础 .92.3.1 初始体系的设置 .112.3.2 边界条件 .112.3.3 时间步长的确定 .132.3.4 系综 .132.4 分子动力学模拟软件 Lammps 介绍
10、.142.5 微观结构的分析方法 .142.5.1 径向分布函数 .153 分子动力学的基本理论 .163.1 本章引论 .163.2 分子动力学的基本方程 .163.3 牛顿运动方程式的数值解法 .173.4 原子间势函数 .193.4.1 对势 .203.4.2 无方向多体对泛函势 .224 微观结构的软件模拟 .254.1 引论 .254.2 Lammps 模拟原理 .254.2.1 lammps 工作原理 .254.2.2 Lammps 程序组成 .254.3 微观结构的分子动力学模拟过程 .26III4.3.1 模拟过程简述 .264.3.2 实际模拟过程 .274.3.3 模拟结果
11、分析与讨论 .325 实验验证 .335.1 合金的成分配比及试样制备 .335.1.1 成分配比 .335.1.2 试样制备 .335.2 合金的微观组织结构分析方法 .345.2.1 金相组织及扫描电镜分析 .345.2.2 X 射线衍射（XRD） .356 结论与展望 .376.1 结论 .376.2 展望 .37参考文献 .38致谢 .4011 绪论1.1 概述：(1)高熵合金的提出材料工作者都应该谙熟于心的是，对于一种新材料的出现和提出最直接的原因或动力是现实的需要。对于高熵合金这一近年来兴起的一种新型合金材料同样如此，人们总是青睐于获得更高更好的性能的材料，特殊结构的高熵合金给予了
12、它特殊的性能，可以满足人们对更好性能材料的需要。然而， “高熵合金”概念的提出在某种程度上是一种观念的突破。反观当前，在工业生产中，最多被使用传统的合金类似黑色金属材料及各种有色金属材料。以及今年兴起的对非晶合金（金属玻璃）的研究热，传统的非晶的形成都是在凝固理论上做文章，增大的合金冷却凝固速度使合金凝固时非平衡结晶程度很大，最后凝固后形成的是与高温液态熔融合金的长程无序的结构相近的结构特征。这种在室温下存在的固体合金本质上是过冷的液态，因为其微观结构基本没多大变化。但是这种非晶材料有独特的性能且工艺简单，颇受学者的青睐。可是，全部以上提到的诸多般的合金种类，无不都是寓宇在传统合金的设计理念与
13、框架之下，即都是基于一、两种元素为主组元，再添加其他种类的元素来改性。按照这种合金设计理念的路径，如果往合金体系中添加过多元素，那么根据相应的吉布斯相律，则合金最后的相结构将是十分复杂的，相应的合金的性能会恶化。因此，依循着这种传统的合金设计理念不利于合金的多组元化就会走进死胡同。一项创新或发明、发现等都意味着对传统的突破，而理念的突破则至关重要。因此要想实现合金体系世界的创新发展，呼唤理念的创新与突破。台湾学者叶均蔚理念先行、突破传统，提出了令人耳目一新的合金设计理念，高熵合金的发轫于此，且研制出了多组元高熵合金。(2)高熵合金的定义多主元高熵合金顾名思义指其中的多种元素作为主要元素，组元数
14、目一般 n5，没有哪一种居于统治性的地位，这样意味着每种元素的原子都可看作是溶质原子或溶剂原子。这就与传统合金截然不同，通俗地讲，高熵合金是由多种主要元素集体“出面”领导从而表现其特色的合金。其一般的形成规律有：21）组成元素种类 13n5；2)各元素在高熵合金的原子占比约 5%35%；3)各组成元素原子相互间半径差异11%；4)合金体系的摩尔混合焓约在40 10kJmol 之间。对于高熵合金的定义，上面的文字性的说理虽然简单易懂，但是我们更希望可以从“数”的角度来阐明高熵合金的定义，从数理学更能清晰精确的给予高熵合金定义。材料的热力学给我们提供了一个极为有用的数学模型来界定高熵合金熵。高熵合
15、金从名称上就一语道破了高熵合金区别于传统合金之处，这就是高熵合金在热力学上的高熵效应。熵是体系混乱程度的标度，熵值越高，系统的混乱程度越高。根据 Boltzmann 关于熵与系统混乱度之间的数学关系模型,n 种元素按照等摩尔比混合形成固溶体时的摩尔位形熵 可由如下式描述：Sconf)!l(10nrf Nk式中，是玻耳兹曼常数； 是气体常数， 8.314/ （K mol） 。由以上数学公式可得，元素种类越多，摩尔位形熵越大。取，即种元素以等原子数混合时， 为 0.69R；取时， 为 1.61R。用摩尔位形熵 给合金SconfSconfSconf世界分类，以 0.69R、1.61R 为分界线，可分
16、为低、中及高熵合金（如下图） 。元素种类越多，熵越大。当合金元素数目达到 5 个元素以上时合金具有较高的混合熵，我们可以称这类合金为高熵合金。图 1.1 合金世界的划分(3)高熵合金的特点3显微结构易于形成 BCC 或 FCC 的简单相结构；在铸态或完全回火态下就会析出纳米晶颗粒；具有非常大的的混乱度，尤其是处于高温状态下，混乱度将更大；高熵合金以简单晶体结构存在时，各组元之间在原子半径和晶体结构都不相同，合金的晶格扭曲程度很大，固溶强化十分强烈，位错在合金内部难以运动，因此合金硬度和强度都较高；合金中常常有的一些元素，如铝（Al）元素，由于铝的氧化作用，进而使得高熵具有很好的耐腐蚀性能。(4
17、)高熵合金的研究现状高熵合金作为一种新型合金材料，有必要在理论上和实际应用上进行深入研究。我国台湾学者叶均蔚在对AiCoCrCuFeNi、A1CrFeMnNi等两种不同高熵合金系的研究表明:在高熵合金AlCoCrCuNi中，Fe元素的增加对合金的微观结构和固溶体相几乎没有特别明显的影响。这样可以得出结论AlC0CrCuNi和A1CoCrCuFeNi两种合金的硬度趋于接近；北京科技大学新金属材料国家重点实验室周云军等人研究了Al元素含量对AlCoCrNiCuFeMnTiV高熵合金力学性能的影响，研究表明：该组高熵合金的微观组织、硬度及室温条件下的断裂强度，探讨了影响硬度的因素，确定了断裂类型；与
18、此同时，哈尔滨工业大学衣智升等人利用真空电弧炉制备了A1CuCrFeMnTi高熵合金，并对该组合金的组织、元素分布情况及摩擦磨损性能等方面的表现及强化着重做了研究。结果表明：所制备的高熵合金结构简单，Al含量对合金结构转变及硬度、摩擦磨损行为起到重要作用；武汉科技大学李亚峰等人制备了FeNiMnCuC 0.2Al高熵合金，并研究了其微观组织，结果表明:合金具有FCC相结构，合金所表现的抗压缩性能很强，Al增加对合金抗压强度产生不利影响；清华大学材料科学与工程学院陈敏等人利用真空电弧炉制备了A1TiFeNiCuCr高熵合金，对Cr元素的影响情况做了研究，结果表明:Cr元素对合金微观组织结构转变影
19、响非常大，随着Cr含量的增加，反应转变的类型发生明显的改变，从典型的亚共晶向过共晶凝固转变，铸态组织具体组成包括先析出相、菊花状共晶组织和枝晶间相，但是不同Cr含量对硬度等物理力学性能的影响则不是非常的明显；在这一方面，广西大学资源与环境学院李安敏等人制备A1CrCuFeNi高熵合金也做了同样的研究，结果表明：所制备的高熵合金显微组织在常温下呈树枝晶状，微观结构简单，为典型的bcc或fcc结构，而且Cr元素含量越多，合金的硬度越高；金属及合金在使用之前，大都需要进行一定的热处理，使材料满4足特定的使用要求，或许是受到此知识的启发，一部分材料工作者转换思路，通过研究不同的热处理方案对高熵合金使用
20、性能的影响情况并开展了一部分工作，例如福州大学材料科学与工程学院吴桂芬等人利用真空电弧熔炼的方法制备了Al0.2CoCrFeNiSi0.2高熵合金。不仅可以使用高熵合金做为主要的工程材料，同时依靠高熵合金现在的制备技术和优良的性能，远见的研究者已经开始将高熵合金应用于材料的表面改性方面，以求在提升材料的表层耐磨性、耐蚀性。这方面的研究需要针对工业生产及生活的实际情况，分析材料使用的具体环境，并进行实验模拟从而得到想要的结果。依靠先进的实验设备和方案，现在的实验模拟结果已经具体到原电池的正负极电位值高低。例如四川建筑职业技术学院材料工程系的邱星武等人利用激光熔覆法在Q235钢表面制备了Al 2C
21、rFeCoxCNuNiTi多主元高熵合金涂层，利用先进仪器分析了激光熔覆试样的组织结构；高效应使得合金涂层相结构简单，为FCC及BCC结构，随Co含量的增多，高熵合金表面涂层的显微硬度降低，合金试样表面显微硬度最高为1013HV，是基体Q235钢的近5倍；Co含量增多，相对耐磨性不断降低，最高值为3.77；高熵合金涂层在35的NaCl溶液中具有良好的耐蚀性,具体表现为较Q235钢的自腐蚀电位正移1.5V,自腐蚀的电流密度降低2个数量级，从而得出高熵合金的耐蚀性与其表面的钝化膜及微观组织特征相关。1.2 选题背景，研究目的及意义高熵合金作为对合金设计理念的重大突破具有重大的意义。高熵合金有着与传统合金很不相同的特性，且多组元的不同组合搭配可以获得成分种类多种多样的合金类型，因此应用潜能丰富和应用前景广阔。然而，目前关于合金的研究还很浅，基本上的研究都处于初级阶段。目前是依据“鸡尾酒方法”制备高熵合金；仍没有能够建立起科学的选择元素理论提供理论指导。研究工作很大部分只是研究合金的成分变化与性能变化的关系等方面。材料研究者亟须进一步从理论上研究高熵合金这一新型合金微结构的成因。高熵合金作为新兴的合金且具有优良的性能，一种材料的宏观性能表现我们作为材料研究者可以在其微观结构中找到其根源，这就是一般意义上的材料的微观结
