采用分子动力学模拟研究了Nb、Ta含量、温度和应变率对HfNbTaTiZr难熔高熵合金的结构-性能-变形机制的协同效应

《Materials Chemistry and Physics》：Molecular Dynamics Simulation of Synergistic Effects of Nb, Ta Content, Temperature, and Strain Rate on Structure-Property-Deformation Mechanism of HfNbTaTiZr Refractory High-Entropy Alloys

高熵合金HfNbTaTiZr的力学性能与变形机制受元素浓度、温度及应变率协同影响，分子动力学模拟显示其从BCC相转变为FCC、HCP及非晶态结构，Nb和Ta含量提升显著增强强度与屈服应力，高温下弹性模量和屈服强度下降，高应变率则提升各项力学指标并抑制复杂位错相互作用。该研究揭示成分-结构-性能关系，为极端条件应用提供理论支撑。

　　

田莉|龚哲宇|曹勇|邓文博|李梦妮

摘要

本研究采用分子动力学模拟方法，系统地研究了成分（铌和钽的浓度及比例）、温度和应变率对HfNbTaTiZr难熔高熵合金（RHEAs）的微观结构、力学性能和变形机制的影响。模拟结果表明，与初始的体心立方（BCC）结构相比，该材料会经历相变，形成面心立方（FCC）、六方密排（HCP）和非晶结构。随着应变的增加，FCC、HCP和非晶结构中的原子数量增加，而BCC结构中的原子数量减少，尤其是在屈服应变之后。增加铌和钽的含量可以提高HfNbTaTiZr RHEAs的强度、杨氏模量和屈服应力，其中铌的强化效果更为显著。此外，材料的力学响应对环境条件具有很强的敏感性。随着温度的升高，杨氏模量和屈服应力显著下降，而位错密度先增加后减少，并伴随大量堆垛错位的形成。相反，随着应变率的增加，极限抗拉强度、屈服应力和杨氏模量均显著提高，但由于复杂位错相互作用的抑制，位错密度降低。本研究揭示了HfNbTaTiZr RHEAs的成分-结构-性能关系，为其在高温和高应变率条件下的应用提供了理论支持和结构设计指导。

引言

高熵合金（HEAs）因其独特的多主元素效应（如高熵效应、晶格畸变效应、扩散减缓效应和混合效应）而受到广泛关注[1]。与传统合金（通常由一种或少数几种主元素组成）不同，HEAs由五种或更多元素以等原子比或接近等原子比组成[2]。这种成分策略不仅扩展了金属材料的设计空间，还赋予了传统合金所不具备的优异性能，包括高强度、高硬度、耐磨性、耐腐蚀性、韧性以及优异的热稳定性[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。这些性能使得HEAs成为从国防和航空航天到核能和海洋工程等广泛应用领域的理想候选材料。然而，尽管HEAs在室温下表现出色，但在极端高温环境下存在局限性，这推动了难熔高熵合金的发展。

难熔高熵合金（RHEAs）主要由熔点超过1650°C的难熔金属（如钒V、铬Cr、锆Zr、铌Nb、钼Mo、铪Hf、钽Ta、钨W和铼Re）组成。这些金属通常与非难熔元素（如铝Al、硅Si、钴Co和镍Ni）合金化以优化其性能[9]。由于高熔点成分的协同效应和高熵效应，RHEAs在高温下展现出卓越的力学性能，包括超高强度、优异的蠕变抗力、结构稳定性以及抗氧化和抗辐射能力[10]。已对一些著名的RHEA体系（如NbMoTaW[11]、VNbMoTaW[12]和HfNbTaTiZr[13]、[14]）进行了广泛研究。这些合金的一个关键特征是它们倾向于形成简单的固溶体结构（如体心立方BCC或面心立方FCC），这抑制了脆性金属间相的形成，从而提升了它们的力学性能。其中，HfNbTaTiZr RHEA作为一种单相BCC合金，以其出色的强度、拉伸延展性和高温性能而受到特别关注[15]。先前的研究强调了其显著的力学性能，包括同时的强化和增韧机制[16]、断裂韧性[17]，以及其在Hank溶液中的自钝化能力所带来的生物医学潜力[18]。研究还关注了其可成形性、通过严重塑性变形实现的强化[19]、温度依赖的拉伸行为[20]，以及铌和钽在相稳定性和变形机制中的作用[21]、[22]。

尽管取得了这些进展，但对于铌和钽含量的精细调节、HfNbTaTiZr在极端应变率下的行为，以及微观结构演变与位错动力学的耦合仍缺乏系统研究。分子动力学（MD）模拟为传统实验方法提供了宝贵的补充，能够提供原子尺度上的结构转变、位错行为和力学响应的洞察，这些在实验中难以观察到。本研究利用MD模拟研究了元素浓度、温度和应变率对HfNbTaTiZr RHEA拉伸行为的影响。研究内容包括径向分布函数、原子排列、位错演变、晶体结构、屈服强度和杨氏模量等分析。研究结果为结构优化策略提供了见解，评估了该合金在高温下的应用潜力，并揭示了快速加载条件下的动态变形机制，从而为未来高性能HfNbTaTiZr基RHEAs的设计奠定了理论基础。

部分内容摘录

模拟方法与细节

本研究使用MD模拟研究了不同铌和钽含量、温度及应变率下HfNbTaTiZr RHEAs的塑性变形行为。通过复制一个体心立方（BCC）晶胞（晶格常数3.403 ?）并随机分布Hf、Nb、Ta、Ti和Zr原子来构建模拟模型。模拟盒的尺寸为20a₀ × 20a₀ × 60a₀（其中a₀为晶格常数），包含约48,000个原子。所有三个方向均采用周期性边界条件。

单轴拉伸

图2展示了HfNb_1.0Ta_1.0TiZr在300 K和1×10¹⁰ s^-1应变率下的拉伸应力-应变响应。可以看出，由于HfNb_1.0Ta_1.0TiZr合金的弹性变形，在初始阶段应力随应变的增加而线性增加。应力达到3.28 GPa的峰值，对应于极限抗拉强度（UTS）。达到屈服点后，应力突然下降，随后随着应变的进一步增加而逐渐减小。

结论

本研究系统地研究了HfNbTaTiZr RHEAs在单轴拉伸条件下的力学行为和变形机制。考虑了多种因素的影响，包括铌和钽的浓度（x, y = 0.25至2.0）、铌/钽的比例（1:2至3:1）、温度范围（300–1300 K）以及应变率（1×10⁸–1×10¹¹ s^-1

CRediT作者贡献声明

邓文博：验证、资源获取、资金申请。田莉：撰写——初稿、可视化、项目管理、方法论、研究、数据整理。龚哲宇：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用。曹勇：撰写——审稿与编辑、资源管理、研究、概念构思

数据可用性

数据可应要求提供。

资助

作者感谢云南省科学技术厅科学研究基金（项目编号：202305AC160066）和昆明理工大学分析测试基金（2022T20130218）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。