1、本科毕业论文（20 届）AlCrCoFeNiV 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： AlCrCoFeNiV 高熵合金微观组织结构分析 1设计的主要任务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 AlCrCoFeNiV 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设计的基本要求和内容1）学
2、习分子动力学软件的应用。2） 应用分子动力学软件计算室温下 AlCrCoFeNiV 及 AlCrCoFeNiV0.5 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主要参考文献1 刘源，李言祥，陈祥，等多主元高熵合金研究进展J材料导报，2006，20(4)：4-62 李安敏，张喜燕多主元高熵合金的研究进展J材料导报，2007，21(11)：56-593 梁秀兵，魏敏，程江波，等高熵合金新材料的研究进展J工程材料，2009，12：75-764、进度安排设计各阶
3、段名称 起 止 日 期1 查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告2014.12.01 至 2014.12.312 广泛阅读相关文献，制定研究方案 2015.01.01 至 2015.03.103 学习分子动力学软件的应用 2015.03.11 至 2015.03.304 完成结构计算，中期检查 2015.04.01 至 2015.04.302015.04.305 实验验证计算结果 2014.05.01 至 2014.05.156 撰写毕业论文，准备答辩 2014.05.16 至 2014.06.10审核人： 2015 年 1 月 3 日IAlCrCoFeNiV 高熵合金微观组织结构分析摘 要
4、：高熵合金是最近几十年来合金化思路的一个突破，是传统合金之外一个崭新的合金世界，它具有传统合金不足以媲美的优良性能。作为一个崭新的合金体系，高熵合金的研究还是一块有待开发的沃土。本课题采用 EAM 势能函数分别对 Al、Ni和不同摩尔比的 AlNi 合金的结构进行了分子动力学模拟，并通过实验分析处理，验证其模拟结果的可靠性。将模拟结果运用 VMD 可视化分析软件对粒子的运行轨迹进行分析，得知：在快速冷却下，纯 Al 和纯 Ni 最终形成了 FCC 结构，无非晶形成的迹象。根据计算得知：Al 和 Ni 结构的晶格常数分别近似为 4 和 3.5。而不同摩尔比的 AlNi 和 AlNi 合金的分布函
5、数分别在第二峰处出现了劈裂，其中 AlNi 合金的5.0 5.0劈裂较 AlNi 合金更为明显，两者最终均有非晶的形成。与实验结果相似。关键字：高熵合金；分子动力学模拟；非晶；AlNi 合金Microstructure analysis of AlCrCoFeNiV High entropy alloyAbstract:High entropy alloys with multi-principal elements is a novel concept for alloy design,which breaks through the traditional alloy design fra
6、me and has been found of kinds of unique proeties which is superior to traditional alloy.As a new alloy design plan,the research of high entropy alloy need to be carried on more deeply.Structural properties of Al and Ni as well as different mole ratio Al-Ni alloy are studied using MD simulation with
7、 EAM potential function,then verify the reliability of the simulation results through the experimental analysis.Using VMD visualization analysis software to analyze the trajectories of the particles, it is concluded that:aluminum and nickel finally forms fcc crystalline at rapid cooling process,no a
8、ny sign of amorphous.And the element lattice parameter of Al and Ni is approximated to 4 and 3.5.While the second peaks of their pair distribution function from AlNi and AlNi alloy split in two,with the split of AlNi alloy 5.0 5.0is more clear,both of them indicative of amorphous structure.The analy
9、sis results fit well with the experiment.Key words:High entropy alloys;Molecular dynamics simulation;Amorphous;AlNi alloyII目 录1 绪论 .11.1 概述 .11.2 高熵合金性能特点 .21.3 本课题研究的意义 .42 分子动力学模拟 .52.1 引言 .52.2 分子动力学模拟原理 .62.3 分子动力学基本理论 .72.3.1 分子动力学系综 .92.3.2 物质的势函数 .122.3.3 边界条件和初始条件 .173 该论文运用分子动力学模拟方法的过程及得出的结
10、论 .213.1 Lammps 简介 .213.2 该论文运用 Lammps 构建的模型及其中遇到的问题 .213.3 VMD 分析软件分析其结果 .244 实验验证及实验结果讨论 .284.1 成分配比 .284.2 显微结构分析 .284.2.1 金相分析 .284.2.2 SEM 能谱分析 .294.2.3 XRD 能谱分析 .295 总结与展望 .31参考文献 .32致 谢 .3411 绪论1.1 概述我们目前在生活中接触的金属材料大多为传统意义上的合金。传统合金通常只能通过一些物理及化学的方法对其进行改性强化，如加工硬化会使其强、硬度增加，塑、韧性下降；使用热处理方法也会使一些合金的
11、性能有不同方面的提升；在金属中添加适量的其他元素作为强化元素亦可对金属性能进行改善，如：在纯铁中添加适量的碳可提高其屈服强度和硬度；少量的 Si 对钢的抗腐蚀性有显著的增强；合金中加入 Al 会使合金产生致密氧化物，抗氧化性能显著增加等。在漫长的使用过程中人们发现，尽管合金的数目繁多，但综合性能提升有限，往往不能满足生活和生产的需要。因此，研究新的合金体系更加被材料学者所正视，成为业内关注和研究的热点。但是，这些探究均未能冲破传统合金的设计思路，无法一应俱全。多主元高熵合金正是在此状态下出现的。上世纪末，台湾著名材料研究者叶筠蔚教授突破了传统合金设计思路，提出了一种全新的合金设计模式即高熵合金
12、，所含元素为 5 种或 5 种以上，各种元素均为等摩尔比，其中每种元素都是主要元素，含量均在 5% 35% 范围之内 1。对于一般的高熵合金，往往会产生简单的 FCC 固溶体和 BCC 固溶体，甚至还会出现纳米和非晶的结构，具有优良的综合性能 2。简单固溶体之所以会优先析出，这是由该合金系所固有的高混合熵特性所决定的。例如：高硬度、高耐磨性、高强度、耐回火软化等特性。作为拥有很大发展潜力的新兴材料，国内外科研人员对其的研究不断攀登新的高度，其研究成果不断推动着人类科学技术的前进以及不断更新着人们对高熵合金的认识。下图为高熵合金的元素数目要求及与混合熵的关系： 21.2 高熵合金性能特点高熵效应
13、：通常情况下，一个系统的混乱度越大，那么其所对应的熵值也就越高。按照吉布斯自由能公式： G=H-TS若S 增加 ， 则可降低G 值，则系统将更加稳定。高的混合熵使合金的微观组织变得简单，使其主要由简单晶格结构的固溶体相组成。现在普遍认为高熵合金的高熵效应是决定高熵合金微观组织的呈简单的晶体结构的主要决定因素。根据体系的热力学能量关系式可以知道，系统的能量由其的混合焓和混合熵共同决定。高熵效应在微观层面上的解释就是系统的各种组成原子均匀混合，使系统处于低自由能状态，使得其的稳定性很高。同时，等摩尔比的合金系，其所具有的高混合熵特性使得合金的自由能显著下降，从而使得合金有序化的倾向降低。尤其在高温
14、下，由于S 大于 0，随着温度升高，G 减小，即合金的高混合熵进一步提高了合金系的稳定性，并有益于高熵合金中各组元间的相互溶解，从而使合金形成以固溶体为主的显微组织结构。高熵合金的混合熵值主要同其所含有的元素多少有关。当元素超过十三种时，合金元素每增加一种，合金体系的自由能变化值不是很大，故有高熵合金的元素种数在十三种以下 3。根据系统的混合熵值的大小，将合金分为低熵合金、中熵合金、高熵合金,其中高熵合金的元素种类介于 5 至 13 之间。图 1.1 等摩尔比的合金的摩尔混合熵 和组元 的关系mixSn3晶格畸变效应：不同金属元素的原子直径存在差异，使得溶入基体晶格的溶质原子周围形成很大的晶格
15、畸变能，即所谓的晶格扭曲。这种在金属内部存在的严重晶格扭曲势必会带来特殊的物理、化学性能。如位错在合金内部运动受阻时，合金强硬度均会变的较高。晶格畸变对扩散也有一定的影响，从而促进合金中纳米相的析出乃至非晶组织，非晶组织更是不存在位错，因此合金性能更为良好。鸡尾酒效应：合金中各种元素的固有性质对合金的性能产生了不同的影响，使高熵合金具备了多种性能，从而具有了广泛的用途。例如合金中加入 Al 可形成，会使合金产生致密氧化物，抗氧化性能显著增加；添加 Mn 元素会使合金的强硬度下降；而添加 V 元素会使合金的强硬度上升。由于 Ti 的化合物一般硬而脆，所以加 Ti 可以提高硬度，但是损害强度。因此
16、高熵合金可同时获得所含元素的优良性能，在生活应用中使用性极强，可满足许多苛刻的条件。这是传统合金无法比拟的。优良的高温性能:根据高熵合金混乱度比较大，高温下对晶体稳定性产生了很大的影响。温度越高混乱度趋于负值，所以无论其是结晶态亦或非晶态都趋向于比较稳定的状态。再者对于固溶体，因其固溶强化作用，使得合金表现极强的高温强度。良好的磁性能：多元高熵合金中，当大量非晶质存在时，由于其内部没有晶界和析出相等阻碍的存在，合金会具有良好的软磁性而极易被磁化 4；合金的硬磁性能主要取决于原子排列短程有序相关的电子能带结构，所以对于具有相同成分的非晶质和结晶永磁合金，其硬磁性能往往相近 5。极高的硬度:合金元
17、素的固溶强化作用，使得内部位错运动困难，铸态下，具有很高的强度和硬度值。若形成非晶组织，其本身原子排布没有规律性可言，所以原子之间的相互作用力极强，同时由于非晶组织的原子排列规律性，因此受外界应力作用时不易产生滑移，其硬度值明显高于传统金属。由此可知，高熵合金的硬度是传统材料（如钢）经过一些硬化处理（热处理、渗碳或渗氮等）无法比拟的。优异的耐腐蚀性能:高熵合金具有非凡的耐腐蚀性能，由多方面的因素共同决定。其中最重要的是本身的高熵效应带来的其具有低的自由能状态。热力学对于材料中表现的腐蚀现象给予的充分的解释：热力学理论认为由于界面处原子排列混乱致使该处的自由能状态偏高，易引发腐蚀现象；亦或在晶界
18、处或者亚晶界处往往存在杂质元素的富集，而有些杂质元素的存在可以诱发晶间腐蚀现象。所以从高熵合金本身所具有的低能量特性，显然其较其他金属材料有更优异的耐腐蚀性能。同时依靠4高熵合金的鸡尾酒效应，只需要向其中添加部分耐蚀元素，如 Al、Cu 等，就可以依靠其容易在金属材料表面产生耐蚀的氧化物薄膜，起到阻碍材料同腐蚀介质进行接触，进而达到耐腐的作用。更有甚者，由于高熵合金的高熵效应使得合金体系的自由能足够低，那么高熵合金在最终的冷却凝固过程中，不需要像常见的金属材料需要足够的冷却速度就可以形成非晶组织。非晶组织不会像合金出现典型的晶粒和晶界，那么其微观组织中就没有所谓的晶粒和晶界之分，腐蚀不易发生。
19、1.3 本课题研究的意义高熵合金作为新兴的合金，无论在从理论或现实意义上,对其进行深入的研究意义重大，但是高熵合金的研究还处于初级阶段，其研究成果和实际运用范围都相对较窄。本文通过对 AlCrCoFeNiV 系高熵合金微观组织结构进行了研究，研究了该合金在不同温度下的组织稳定性及其组织状况。主要进行了如下的工作：第一，学习分子动力学软件，可运用该软件进行简单的模拟和分析；第二，通过分子动力学软件模拟 AlCrCoFeNiV 及 AlCrCoFeNiV 高熵合金熔融态下以较快的冷速冷到常温后的5.0微观组织状态，得出对应的模拟结果；第三，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
20、响规律；第四，将实验结果与模拟结果相对比，验证该模拟软件的可靠性。52 分子动力学模拟2.1 引言20 世纪 50 年代，有西方学者曾提出，科学研究的根本目的在于了解我们周围的事物，并可对其进行改变。然而，大千世界，我们未必能全部掌握或正确的把握其固有规律，绝大部分规律的抽象程度是我们人体五官能力所难以望其项背的。因此，必须借助抽象的模型方法。抽象的模型方法，即运用一定的模型来探究周围某方面的规律。模型的构建过程被认为是模型化中的基本步骤和最关键的部分。模型的设计就是利用数学、物理及其他的方法将系统结合成一个有机的整体，该系统是对现实系统的描述、模仿和抽象，揭示了现实系统的功能和作用，简单的反
21、应现实系统的本质。抽象化的模型和计算机模拟是现代科学技术发展中最为关键的部分。由于现代材料科学方面的理论的不断完善，对于一些常见的模拟问题及其规律已经可以做到描述定量化、精准化和合理化，其为模拟操作提供了诸多便利。模型本身是数学方程式，这些表达式是对客观某类现象的反映。根据这些现象在计算机上进行模拟实验，依照现实的物理系统，得出某方面的属性，如几何形状、结构性能、温度与时间等一系列的运动关系，构建一定的替代物，即模型。运用该模型按照一定的算法完成模拟步骤之后，得出的结果可由实验来进行验证，从而知道该模拟系统的精确性。甚至，我们可以利用该模拟系统进行一些在常规实验室无法进行的模拟实验，将其放在极端或者不合理的条件下，可以获得在普通实验中无法得到的数据或规律。如计算机模拟可以将材料置于超高温或超低温下，观察其呈现的物理现象，对于目前理论的发展有着重要意义。该方法一来在实验室中是难以达到的，再则单凭靠想象是无法实现的，它是二者的有机组合，越来越普及于现代科学研究中。而对于本文来讲，材料的研究归根到底是分析其组成、结构、性能、服役性能之间的关系，从中发现一定的规律与对应关系，从而可以改善其性能获得所需的性能的高质量材料。传统的材料研究是通过实验室进行试验研究，然而，随着科技的进步，对综合材料的性能要求不断提高，以至于仅仅从实验室是无法得到材料在某
