1、本科毕业论文（20 届）AlCrCoFeNiTiSiV 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 AlCrCoFeNiTiSiV 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 AlCrCoFeNiTiSiV 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
2、）学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 AlCrCoFeNiTiSiV 及 AlCrCoFeNiTiSiV0.5 高熵合金微观组织结构。3）通过 XRD 分析实验验证钒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1 王夺，李文，付华萌。CoCreFNiCu2SnX 高熵合金的微观组织与性能J 。沈阳理工大学学报，2014，(第 4 期)。2 邱星武.高熵合金的研究现状J 。新材料产业， 2014， （第 9 期） 。3 叶均蔚，陈瑞凯，刘树均。高熵合金的发展概括。工业材料杂志
3、，2005.224,71.4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 1 月 3 日IAlCrCoFeNiTiSiV 高熵合金微观组织结构分析摘 要：高熵合金是一种最近几年新研究、开发的应用在我们生活的合金材料，它的最突出的特点是不在限制于用一种金属或两种金属研制合金的思维方式，而是提
4、出了新的研究方案，将五种及以上主要元素用熔炼、烧结方法组合成新的金属材料。每种元素的原子百分比在 535之间。与传统合金相比，具有优良的性能。比如：耐高温、不易被腐蚀、高强度、高硬度等。可以这样说，高熵合金的发现不仅大大提高了合金的使用性能，而且也扩大了金属的选择的范围。本课题研究的是 Al-Cr-Co-Fe-Ni-Ti-Si-V 多主元高熵合金，应用分子动力学软件计算室温下 AlCrCoFeNiTiSiV 及 AlCrCoFeNiTiSiV0.5 的微观组织结构，并且通过实验验证。最后通过 XRD 等手段分析实验验证钒含量对高熵合金微观组织结构的影响规律。关键词：高熵合金、微观组织、性能Al
5、CrCoFeNiTiSiV high entropy alloy microstructure analysisAbstract: High entropy alloys is a new research and development in recent years, which was used in our life named alloy materials, and its the most prominent feature is not limited to use a metal or two metals way of thinking in the development
6、 of the alloy, but a new research is presented, with melting, sintering method to combined five or more major elements into new metal material. The atomic percentage of each of element is between 535. Compared with traditional alloy, new alloy with excellent performance. Such as, high temperature re
7、sistant,it is difficult to corrode.high strength,high hardness,etc.It can be said that the discovery of high entropy alloys not only greatly improve the performance of the alloy,but also enlarged the scope of the choice of metal.This topic research is Al-Co-Fe-Ni-Cr-Ti-Si-V primary high entropy allo
8、ys, applied molecular dynamics software to caculate AlCrCoFeNiTiSiV and AlCrCoFeNiTiSiV0.5 at room temperature microstructure, and through the experiment. Finally by means of XRD analysis experiment vanadium content on the influence law of high entropy alloys microstructure.Keywords:high entropy all
9、oys, microstructure and performanceIIII目 录1.绪论 .11.1 概述 .11.2 本课题设计目的及意义： .11.3 国内外研究进展： .22.分子动力学模拟方法 .82.1 计算材料科学建模 .82.2 分子动力学模拟的研究进程 .92.3 分子动力学的计算流程 .102.4 分子动力学基本理论 .112.4.1 分子动力学系综 .112.4.2 原子势函数 .122.4.3 边界条件、初始条件 .123. 软件模拟结果分析 .143.1 计算方法与计算模型 .143.2 Lammps 的模拟结果与分析 .144. 实验验证 .184.1 合金元素的
10、成分设计与试样的制备 .184.1.1 合金元素的成分设计 .184.1.2 合金试样的制备 .184.2 合金的组织结构分析 .204.2.1 X-ray 衍射实验 .204.2.2 SEM 图谱分析 .215. 总结与展望 .225.1 总结 .225.2 期望 .236. 参考文献 .237.致谢 .2511. 绪论1.1 概述随着人类社会的不断更新、发展，社会生活方式的不断转变，我们所熟悉的传 统合金已经不能满足人们对日常用品的需求。因此近几年一种新合金开始逐渐的在 材料界兴起，它就是高熵合金。根据等摩尔比或近等摩尔比将五种元素或五种以上的元素经过先熔炼、再烧结或使用其他方法组合成的一
11、种具有金属特性的材料。一般情况下，往材料中添加多种元素会使得合金产生高熵效应，最终的结果是会造成晶体结构更容易形成简单体心或简单面心结构，同时晶间化合物也有可能在此时产生。由于上述原因，高熵合金就具有比传统合金优异的性能。高熵合金与传统合金在晶体结构和各种性质上存在很明显的差异，高熵合金与传统合金相比它的优点更突出，但高熵合金在实际运用时本身也存在很多问题，由于高 熵合金中具有不同的元素种类，所以即使是其中的一种元素发生变化它的各种性能也会随之发生变化，新型合金材料的研究近年来逐渐变得受欢迎，发展空间广阔。故我们有必要深入探讨与研究高熵合金具体元素的特性，本课题就以 AlCrCoFeNiTiS
12、iV为例，主要来研究 V 在合金中所占比例会对高熵合金的微观组织结构产生什么影响。1.2 本课题设计目的及意义：人类使用各种材料来制造日常生活所需的物质产品，在日常生活中，我们会发现材料越来越广泛地应用在各行各业，因此，我们一般将我们生活的时代以材料的使用方式为基础，划分为三个层次：石器时代，青铜器时代，铁器时代。由此可见，人类的发展越来越依赖金属材料的使用。但是，随着现代科技水平，如通信设备、航空水平、电子技术、等以及化工化学、机械领域、能源等工业水平的发展，人们已经不能满足于原有生活，开始对物质生活有了新的追求，对生活中使用的材料的综合性能提出了更高、更多的要求。我们以前所使用的传统的单一
13、材料已经渐渐变2得无法满足人们的要求，因此科学家们开始想办法研究新型的材料来代替传统的材料，人类开始进入一种新型材料的新时代 1。目前，已经被实际应用的全部合金共有三十多余种，很大一部分的传统的合金材料几乎都是在一种金属元素里面加入其它的合金元素，获得能满足我们需求的金属合金。例如以铁元素为主要元素的钢铁材料，以铝元素为主要元素的铝合金，以铜元素为主要元素的铜合金等 2。经研究发现，添加合金元素种类虽然可以改善合金的性能，但是也会导致出现一些缺陷，如果合金元素添加的太多的话就会造成其中会出现了很多脆性金属间化合物，造成的后果是可能会使它的力学性能大大的降低 3。所以为了避免过多的化合物不利于合
14、金组织的分析和研究的问题，我们应该将合金元素的种类添加的越少越好 2。这就是为什么人们一直以来在应用、研究新合金和在逐渐改善合金的使用时都是以一种合金为主要元素的主要原因之一。为了能获得比较实用较好的合金，就必须增加一些合金元素和改变加工的方法。而 1995 年中国台湾学者叶均蔚等跳出了传统的材料设计领域，提出了一种全新的合金材料设计方案 4，来研究多主元高熵合金的性能。研究发现，由于高熵合金的熵值很高，同时其原子不容易扩散的特点，使得其力学性能等各方面都比传统合金具有使用价值。这种新型的合金可以多领域来满足人类对材料的需求，其具有的研究意义是很大的。高熵合金是近几年来人们为了满足物质需求而创
15、新的一种全新的合金，是一个可人工合成，可应用在各个领域的新合金，因为它具有很大的工业发展潜力，所以近几年越来越受科学界的投3入与重视。新型的高熵合金与普通的、单一的传统合金具有很多的不同点，主要的区别有高熵合金中多种成分的原子半径不相同，使得它超过了传统合金固溶强化的极限，因此高熵合金才具有比较高的强度、高的硬度和较好的耐磨性。同时高熵合金一般选用不同种金属元素以较大原子分子分数熔炼成合金，通过合理搭配，以充分发挥这些金属元素的优势，避免其内在缺陷对合金造成影响。除此之外，高熵合金的原子格的比较混乱的特点使得合金中原子活动迟缓和合金的传热能力也降低了，从而使合金即使在温度高的情况下也比较稳定和
16、不易传导热量 2567。高熵合金在即使在高温下也保持比较稳定的特点，不易传导热量的性质，不容易被氧化的优点，不易被腐蚀性和耐磨性，同时还拥有较高的耐温性能、较高的加工硬化性能、回火抗性也较高，将其用作热障涂层或耐蚀耐磨涂层也具有一定的可行性 8。通过本次毕业设计，我比较深入的了解了分子动力学模型；学习了分子动力学结构模拟的软件；分析 AlCrCoFeNiTiSiV 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。1.3 国内外研究进展：2004 年，叶均蔚首次利用电弧熔炼法制备出 Cu-Co-Ni-Cr-Al-Fe-Ti-V 高熵合金 9.之后
17、同人们在探究制备各种不同高熵合金的同时，也尝试使用不同方法来制备高熵合4金。印度学者 S.Varalakshmi 等 10人在 2007 年第一次以机械合金化方法为基础制备了AlFeTiCrZnCu 高熵合金。从近几年的研究来看，机械合金化制备高熵合金主要研究以下几方面的问题：元素的选择、粉末的后处理工艺以及研究方向。目前，对高熵合金研究较多的仍是叶均蔚研究小组 11近年来其对AlCoCrCuFeNi,AlCrFeMnNi 等高熵合金中组成元素 Al、Ag、Fe、Au 等通过改变其合金中的含量来研究会对合金微观组织及性能产生什么影响进行了研究，结果表明，（1）AlxCoCrCuFeNi 高熵合
18、金，当加入的 Al 元素的量越来越多时，体心立方结构所占的区域和硬度都在逐渐增大。不过，这样做的结果是合金所受的摩擦就越减小了，这是由于其耐磨性质发生了变化，由分层磨损转变为氧化磨损；（2） AlCoCrCuNi高熵合金中，加入 Fe 的含量不会使合金的原来的特点和微观结构发生了很大的变化，这使得 AlCoCrCuNi 和 AlCoCrCuFeNi 两种合金的硬度相近；（3） 在AlCoCrCuNi高熵合金中，银的含量的会使合金沉锭产生明显的分层， ；而与 Ag 相反，Cu 能够很好地和 AlCoCrCuNi 五种主元元素结合，因而 Au 可以被看做是 Cu 和其他种类元素之间的结合中介。为了能够使得六种元素混合均匀，原子对之间的最大焓值应该限制在10KJ/mol 范围以内。Yu-Jui Hsu 等 12人对在低浓度的盐水中腐蚀过的 FeCoNiCrCux高熵合金进行了研究：在低浓度的 NaCl 溶液中进行了三十天的浸泡实验后，表面检测显示 FeCoNiCrCu0.5 和 FeCoNiCrCu，它的主要腐蚀种类，是由于含有铜的枝晶间产生了很小的电流而产生的，因此就造成了局部出现腐蚀的情况，然而这种腐蚀的现
