AlxCoCrFeNi高熵合金凝固及力學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬：微觀機(jī)制與性能調(diào)控研究一、緒論1.1研究背景與意義材料作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著科技的飛速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求也日益提高，傳統(tǒng)合金材料由于其成分和結(jié)構(gòu)的局限性，逐漸難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)材料高性能、多功能的需求。在這樣的背景下，高熵合金應(yīng)運(yùn)而生，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。高熵合金（HighEntropyAlloys，HEAs）是由五種或五種以上主要元素組成，且每種元素的原子百分比通常在5%-35%之間的新型合金。與傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為主元不同，高熵合金的多主元特性使其具有獨(dú)特的“高熵效應(yīng)”“晶格畸變效應(yīng)”“遲緩擴(kuò)散效應(yīng)”和“雞尾酒效應(yīng)”。這些效應(yīng)賦予了高熵合金一系列優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性以及優(yōu)異的抗氧化性能等。高熵合金的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)的理念，為材料科學(xué)的發(fā)展開辟了新的道路，在航空航天、能源、電子、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在眾多高熵合金體系中，AlxCoCrFeNi高熵合金因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。AlxCoCrFeNi高熵合金通過(guò)調(diào)整Al元素的含量（x表示Al的原子比），可以在較大范圍內(nèi)調(diào)控合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能。當(dāng)Al含量較低時(shí)，合金主要呈現(xiàn)面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，具有良好的塑性和韌性；隨著Al含量的增加，合金中會(huì)逐漸析出體心立方（BCC）相，使合金的強(qiáng)度和硬度顯著提高。這種通過(guò)簡(jiǎn)單改變?cè)睾烤湍軐?shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控的特性，使得AlxCoCrFeNi高熵合金在不同工程應(yīng)用中具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。例如，在航空航天領(lǐng)域，其高強(qiáng)度、低密度以及良好的高溫性能，使其有望用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤等關(guān)鍵部件，有助于減輕部件重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和性能；在能源領(lǐng)域，其優(yōu)異的耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性，使其在核反應(yīng)堆、燃?xì)廨啓C(jī)等能源設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。深入理解AlxCoCrFeNi高熵合金的凝固過(guò)程和力學(xué)性能，對(duì)于優(yōu)化其成分設(shè)計(jì)、制備工藝以及拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有至關(guān)重要的意義。然而，由于高熵合金成分復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)研究面臨諸多挑戰(zhàn)，如制備過(guò)程中難以精確控制元素的均勻分布，實(shí)驗(yàn)成本高昂，且難以在原子尺度上直接觀察和分析合金的微觀結(jié)構(gòu)演變和性能變化機(jī)制。分子動(dòng)力學(xué)模擬作為一種基于經(jīng)典力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬方法，能夠在原子尺度上對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入研究。通過(guò)構(gòu)建原子模型，設(shè)定原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以精確地模擬原子在不同條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡和相互作用，從而獲得材料在凝固過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變信息，如晶粒生長(zhǎng)、枝晶形成、元素偏析等。在力學(xué)性能研究方面，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以模擬合金在不同加載條件下的變形行為，分析位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和交互作用，揭示合金的強(qiáng)化機(jī)制和斷裂機(jī)理。與實(shí)驗(yàn)研究相比，分子動(dòng)力學(xué)模擬具有成本低、周期短、可精確控制模擬條件以及能夠獲取微觀結(jié)構(gòu)和原子尺度信息等優(yōu)勢(shì)。因此，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究AlxCoCrFeNi高熵合金的凝固及力學(xué)性能，不僅可以為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，還能從原子層面深入揭示合金性能的內(nèi)在本質(zhì)，為開發(fā)高性能的AlxCoCrFeNi高熵合金材料提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.2AlxCoCrFeNi高熵合金研究現(xiàn)狀A(yù)lxCoCrFeNi高熵合金作為高熵合金體系中的重要一員，憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)吸引了大量科研人員的關(guān)注與研究。從合金特性來(lái)看，AlxCoCrFeNi高熵合金性能隨Al含量變化呈現(xiàn)出顯著的規(guī)律性。當(dāng)Al含量較低時(shí)，合金主要為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予合金良好的塑性和韌性，原因在于FCC結(jié)構(gòu)具有較多的滑移系，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，使得合金在受力時(shí)能夠通過(guò)位錯(cuò)的滑移和攀移進(jìn)行塑性變形，從而表現(xiàn)出較好的延展性。同時(shí)，由于各元素原子在FCC晶格中分布相對(duì)均勻，合金具有較好的化學(xué)均勻性，這有助于提高其耐腐蝕性。研究表明，在一些腐蝕性環(huán)境中，低Al含量的AlxCoCrFeNi高熵合金的腐蝕速率明顯低于傳統(tǒng)合金，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能。隨著Al含量的增加，合金中逐漸析出體心立方（BCC）相。BCC相的出現(xiàn)顯著改變了合金的性能，使合金的強(qiáng)度和硬度大幅提高。這是因?yàn)锽CC結(jié)構(gòu)的原子排列相對(duì)緊密，原子間結(jié)合力較強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大。此外，BCC相的存在還會(huì)引起晶格畸變，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，從而強(qiáng)化了合金。當(dāng)Al含量達(dá)到一定程度時(shí)，合金中BCC相成為主要相，合金表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高硬度的特性，但同時(shí)塑性和韌性會(huì)有所下降。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，航空航天領(lǐng)域是AlxCoCrFeNi高熵合金的重要應(yīng)用方向之一。航空航天部件通常需要在高溫、高壓、高應(yīng)力等極端條件下工作，對(duì)材料的性能要求極高。AlxCoCrFeNi高熵合金由于其高強(qiáng)度、低密度以及良好的高溫性能，非常適合用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤等關(guān)鍵部件。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在工作時(shí)承受著巨大的離心力、氣動(dòng)力和熱應(yīng)力，需要材料具備高強(qiáng)度和良好的高溫穩(wěn)定性。AlxCoCrFeNi高熵合金在高溫下能夠保持較高的強(qiáng)度和硬度，其抗氧化性能也優(yōu)于許多傳統(tǒng)合金，能夠有效延長(zhǎng)葉片的使用壽命。此外，其低密度特性有助于減輕部件重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，從而提升航空航天器的性能。在能源領(lǐng)域，AlxCoCrFeNi高熵合金同樣具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在核反應(yīng)堆中，材料需要具備良好的耐輻照性能和高溫穩(wěn)定性。AlxCoCrFeNi高熵合金的多主元特性使其具有較好的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠在一定程度上抵抗輻照損傷。其高溫穩(wěn)定性也使其在核反應(yīng)堆的高溫環(huán)境中能夠保持性能穩(wěn)定，有望用于制造核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)部件和燃料包殼等。在石油化工領(lǐng)域，該合金的優(yōu)異耐腐蝕性使其可用于制造反應(yīng)釜、管道等設(shè)備，能夠有效抵抗化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，提高設(shè)備的使用壽命和安全性。然而，當(dāng)前對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金的研究仍存在一些問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)研究中，由于合金成分復(fù)雜，精確控制元素的均勻分布成為一大難題。不同元素的熔點(diǎn)、密度等物理性質(zhì)存在差異，在熔煉和制備過(guò)程中容易出現(xiàn)元素偏析現(xiàn)象，導(dǎo)致合金性能不均勻。制備成本高昂也限制了其大規(guī)模應(yīng)用。復(fù)雜的成分和制備工藝使得AlxCoCrFeNi高熵合金的制備成本相對(duì)較高，這在一定程度上阻礙了其在一些對(duì)成本敏感領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。而且，實(shí)驗(yàn)研究難以在原子尺度上直接觀察和分析合金的微觀結(jié)構(gòu)演變和性能變化機(jī)制。合金在凝固過(guò)程中的晶粒生長(zhǎng)、枝晶形成以及元素偏析等微觀過(guò)程，以及在受力變形過(guò)程中位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和交互作用等，這些微觀機(jī)制對(duì)于理解合金性能至關(guān)重要，但實(shí)驗(yàn)方法很難直接獲取這些原子尺度的信息。為解決上述問(wèn)題，分子動(dòng)力學(xué)模擬在AlxCoCrFeNi高熵合金研究中得到了廣泛應(yīng)用。分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠在原子尺度上對(duì)合金的凝固過(guò)程和力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。在凝固過(guò)程模擬方面，通過(guò)構(gòu)建原子模型和設(shè)定合適的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以精確地模擬原子在不同溫度和冷卻速率下的運(yùn)動(dòng)軌跡。從而詳細(xì)觀察合金在凝固過(guò)程中晶粒的形核、生長(zhǎng)過(guò)程，以及枝晶的形成和演變。還能準(zhǔn)確分析元素在凝固過(guò)程中的偏析情況，了解不同元素在晶粒、晶界等區(qū)域的分布規(guī)律。這些信息對(duì)于優(yōu)化合金的凝固工藝，提高合金的質(zhì)量和性能具有重要指導(dǎo)意義。在力學(xué)性能研究方面，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以模擬合金在不同加載條件下的變形行為。通過(guò)分析位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和交互作用，深入揭示合金的強(qiáng)化機(jī)制和斷裂機(jī)理。例如，研究發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與其他位錯(cuò)、晶界以及析出相發(fā)生交互作用，這些交互作用會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬還可以研究不同溫度、應(yīng)變速率等條件對(duì)合金力學(xué)性能的影響，為合金的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。與實(shí)驗(yàn)研究相比，分子動(dòng)力學(xué)模擬具有成本低、周期短、可精確控制模擬條件以及能夠獲取微觀結(jié)構(gòu)和原子尺度信息等優(yōu)勢(shì)，為AlxCoCrFeNi高熵合金的研究提供了一種強(qiáng)有力的手段。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬深入探究AlxCoCrFeNi高熵合金的凝固過(guò)程和力學(xué)性能，具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：1.3.1研究?jī)?nèi)容構(gòu)建AlxCoCrFeNi高熵合金原子模型：依據(jù)合金成分和實(shí)際原子比例，采用合適的建模方法在模擬軟件中構(gòu)建具有周期性邊界條件的AlxCoCrFeNi高熵合金原子模型。在構(gòu)建模型時(shí)，充分考慮原子間的初始位置分布，以確保模型的合理性和代表性。例如，可利用隨機(jī)分布算法將不同元素的原子隨機(jī)放置在模擬盒子中，同時(shí)滿足各元素的原子百分比要求。針對(duì)不同Al含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0等，涵蓋合金從面心立方結(jié)構(gòu)到面心立方與體心立方混合結(jié)構(gòu)的典型成分范圍）構(gòu)建一系列原子模型，為后續(xù)模擬研究提供基礎(chǔ)。凝固過(guò)程模擬：運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，模擬AlxCoCrFeNi高熵合金在不同冷卻速率（如10^12K/s、10^13K/s、10^14K/s等，涵蓋實(shí)驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)的快速冷卻范圍）下的凝固過(guò)程。在模擬過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定合適的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)（如嵌入原子法（EAM）勢(shì)函數(shù)，該勢(shì)函數(shù)能夠較好地描述金屬原子間的相互作用，考慮了電子云的重疊和原子間的多體相互作用，對(duì)于高熵合金這種多主元體系具有較高的適用性），精確計(jì)算原子間的相互作用力，從而準(zhǔn)確跟蹤原子的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)模擬，重點(diǎn)研究合金在凝固過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，包括晶粒的形核、生長(zhǎng)過(guò)程，枝晶的形成和發(fā)展，以及元素在不同微觀區(qū)域的偏析情況。例如，觀察在不同冷卻速率下，晶粒的形核時(shí)間、形核位置以及生長(zhǎng)速度的變化；分析枝晶的形態(tài)、分枝情況以及其對(duì)合金性能的潛在影響；研究Al、Co、Cr、Fe、Ni等元素在晶界、晶粒內(nèi)部以及枝晶間的分布規(guī)律，探討元素偏析對(duì)合金性能的影響機(jī)制。力學(xué)性能模擬：對(duì)不同Al含量的AlxCoCrFeNi高熵合金進(jìn)行力學(xué)性能模擬，包括拉伸、壓縮和剪切等加載方式。在拉伸模擬中，沿特定晶向（如[100]、[110]、[111]等晶向，這些晶向在金屬材料的力學(xué)性能研究中具有代表性，不同晶向的力學(xué)性能差異能夠反映晶體結(jié)構(gòu)的各向異性對(duì)材料性能的影響）對(duì)合金模型施加拉伸載荷，模擬合金在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，分析合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)。在壓縮和剪切模擬中，同樣按照相應(yīng)的加載方式對(duì)合金模型進(jìn)行處理，研究合金在不同加載條件下的變形行為和力學(xué)性能。例如，在壓縮模擬中，觀察合金在壓縮過(guò)程中的致密化行為、位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)情況；在剪切模擬中，分析剪切應(yīng)力作用下合金的滑移系啟動(dòng)情況、位錯(cuò)的交互作用以及剪切帶的形成和發(fā)展。通過(guò)力學(xué)性能模擬，深入揭示合金的強(qiáng)化機(jī)制和斷裂機(jī)理，探討Al含量、晶體結(jié)構(gòu)以及微觀缺陷等因素對(duì)合金力學(xué)性能的影響。1.3.2研究方法分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件：選用LAMMPS（Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator）軟件作為主要的模擬工具。LAMMPS具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和廣泛的適用性，能夠高效地處理大規(guī)模原子體系的模擬計(jì)算。它支持多種原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，方便用戶根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)選擇合適的勢(shì)函數(shù)。還具備豐富的分析工具，可對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行全面深入的分析，如計(jì)算原子的位移、速度、應(yīng)力張量等物理量，以及對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化處理，為研究提供直觀的數(shù)據(jù)支持。模擬參數(shù)設(shè)置：在模擬過(guò)程中，合理設(shè)置模擬參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。時(shí)間步長(zhǎng)通常設(shè)置為1fs（10^-15s）左右，這樣的時(shí)間步長(zhǎng)既能保證模擬的精度，又能在可接受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成模擬計(jì)算。模擬溫度通過(guò)Nose-Hoover溫控器進(jìn)行控制，根據(jù)研究需要設(shè)定不同的溫度條件，如室溫（300K）、高溫（800K、1000K等，研究高溫對(duì)合金性能的影響）等。模擬盒子的尺寸根據(jù)原子模型的大小和模擬要求進(jìn)行合理設(shè)置，確保模型在模擬過(guò)程中能夠充分反映合金的宏觀性能，同時(shí)避免邊界效應(yīng)的影響。采用周期性邊界條件，使模擬體系在各個(gè)方向上都具有無(wú)限延伸的特性，消除邊界對(duì)模擬結(jié)果的干擾，更真實(shí)地模擬合金在實(shí)際中的情況。模擬結(jié)果分析方法：運(yùn)用可視化軟件（如OVITO（OpenVisualizationTool），它具有強(qiáng)大的可視化功能，能夠?qū)⒛M結(jié)果以直觀的圖形方式展示出來(lái)，方便研究人員觀察和分析合金的微觀結(jié)構(gòu)演變和原子運(yùn)動(dòng)軌跡）對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，直觀地觀察合金在凝固和力學(xué)加載過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。通過(guò)分析原子的位置坐標(biāo)和速度信息，計(jì)算原子的配位數(shù)、徑向分布函數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)，深入研究合金的微觀結(jié)構(gòu)特征。利用位錯(cuò)分析工具（如DXA（DislocationExtractionAlgorithm），它能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和分析位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和交互作用，為研究合金的變形機(jī)制提供重要依據(jù)）對(duì)合金在力學(xué)加載過(guò)程中的位錯(cuò)行為進(jìn)行分析，包括位錯(cuò)的形核、增殖、滑移和攀移等過(guò)程，從而揭示合金的強(qiáng)化機(jī)制和斷裂機(jī)理。還可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)模擬得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，研究不同因素對(duì)合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。二、分子動(dòng)力學(xué)模擬基礎(chǔ)2.1分子動(dòng)力學(xué)模擬原理分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律的強(qiáng)大計(jì)算方法，在材料科學(xué)、生物物理等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其核心原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)大量原子或分子在不同時(shí)刻下的運(yùn)動(dòng)軌跡和相互作用過(guò)程進(jìn)行不斷迭代模擬。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，將原子或分子視為質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)在給定的力場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)。原子間的相互作用通過(guò)勢(shì)能函數(shù)來(lái)精確描述，這是模擬的關(guān)鍵要素之一。勢(shì)能函數(shù)能夠準(zhǔn)確反映原子間的吸引力和排斥力隨原子間距的變化關(guān)系。以常見的Lennard-Jones勢(shì)函數(shù)為例，其表達(dá)式為U(r)=4\epsilon[(\frac{\sigma}{r})^{12}-(\frac{\sigma}{r})^6]，其中r表示兩個(gè)原子之間的距離，\epsilon代表勢(shì)阱深度，體現(xiàn)了原子間相互作用的強(qiáng)度，\sigma則是當(dāng)勢(shì)能為零時(shí)的原子間距。當(dāng)兩個(gè)原子距離較遠(yuǎn)時(shí)，原子間主要表現(xiàn)為較弱的范德華吸引力，隨著距離逐漸減小，排斥力迅速增大。這種精確的勢(shì)能描述為模擬原子的運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。模擬過(guò)程基于牛頓第二定律F=ma，其中F是作用在原子上的力，m為原子的質(zhì)量，a是原子的加速度。通過(guò)勢(shì)能函數(shù)對(duì)原子間相互作用的描述，可以計(jì)算出每個(gè)原子所受到的力F_i=-\nabla_{r_i}U，其中F_i是作用在第i個(gè)原子上的力，\nabla_{r_i}是對(duì)第i個(gè)原子位置r_i的梯度算符，U是系統(tǒng)的總勢(shì)能。得到原子所受的力后，根據(jù)牛頓第二定律就能計(jì)算出原子的加速度a_i=\frac{F_i}{m_i}，其中m_i是第i個(gè)原子的質(zhì)量。在模擬中，采用數(shù)值積分方法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，從而得到原子在不同時(shí)刻的位置和速度。常用的數(shù)值積分算法有Verlet算法和蛙跳算法等。以Verlet算法為例，其基本公式為r(t+\Deltat)=2r(t)-r(t-\Deltat)+\frac{F(t)}{m}\Deltat^2，其中r(t)是t時(shí)刻原子的位置，\Deltat是時(shí)間步長(zhǎng)，F(xiàn)(t)是t時(shí)刻原子所受的力，m是原子質(zhì)量。該算法通過(guò)前兩個(gè)時(shí)刻的位置和當(dāng)前時(shí)刻的受力來(lái)計(jì)算下一時(shí)刻的位置，具有較高的精度和穩(wěn)定性。在模擬開始時(shí)，需要確定原子的初始位置和速度。初始位置通常根據(jù)研究對(duì)象的晶體結(jié)構(gòu)或其他已知信息進(jìn)行設(shè)定。例如，對(duì)于晶體材料，可以按照其晶格結(jié)構(gòu)將原子放置在相應(yīng)的晶格位置上。初始速度則依據(jù)波爾茲曼分布隨機(jī)生成，這樣可以保證體系在初始狀態(tài)下具有一定的能量分布，且符合統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)規(guī)律。同時(shí)，為了確保體系沒(méi)有整體的平動(dòng)位移，需要對(duì)生成的速度進(jìn)行調(diào)整，使得體系總體在各個(gè)方向上的動(dòng)量之和為零。隨著模擬的進(jìn)行，原子在力的作用下不斷運(yùn)動(dòng)，其位置和速度隨時(shí)間不斷更新。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，通過(guò)計(jì)算原子間的相互作用力，更新原子的加速度、速度和位置。經(jīng)過(guò)大量的時(shí)間步長(zhǎng)迭代，就可以得到原子在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。這些軌跡包含了豐富的信息，通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到材料的各種性質(zhì)和行為。例如，通過(guò)統(tǒng)計(jì)原子的位置分布，可以得到材料的微觀結(jié)構(gòu)，如晶體的晶格參數(shù)、晶界結(jié)構(gòu)等；通過(guò)分析原子的速度分布，可以計(jì)算材料的溫度，溫度與原子的動(dòng)能密切相關(guān)，根據(jù)能量均分定理，E_{k}=\frac{3}{2}k_{B}T，其中E_{k}是原子的平均動(dòng)能，k_{B}是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度，通過(guò)計(jì)算原子的平均動(dòng)能就可以得到體系的溫度。還可以研究材料的擴(kuò)散行為、力學(xué)性能等。在研究擴(kuò)散行為時(shí)，可以通過(guò)跟蹤原子在不同時(shí)刻的位置，計(jì)算原子的均方位移，從而得到擴(kuò)散系數(shù)；在研究力學(xué)性能時(shí)，可以對(duì)體系施加外力，觀察原子的響應(yīng)和體系的變形情況，分析材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)。二、分子動(dòng)力學(xué)模擬基礎(chǔ)2.2模擬關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)置2.2.1元胞與邊界條件在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，為了有效模擬真實(shí)材料體系，同時(shí)減少計(jì)算量，通常選取一個(gè)有限大小的模擬元胞來(lái)代表整個(gè)材料。本研究針對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金模擬，構(gòu)建了具有周期性邊界條件的立方元胞。周期性邊界條件的設(shè)定具有重要意義，它使模擬體系在各個(gè)方向上都能被視為無(wú)限延伸。以二維平面為例，若在一個(gè)正方形元胞中存在一個(gè)原子，當(dāng)該原子從元胞的右側(cè)邊界離開時(shí)，會(huì)有一個(gè)相同的原子從左側(cè)邊界以相同的速度和狀態(tài)進(jìn)入元胞，上下邊界同理。在三維空間中，這種周期性同樣適用。這種邊界條件消除了邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，使得模擬體系更能反映真實(shí)材料內(nèi)部原子的運(yùn)動(dòng)和相互作用情況。在選擇元胞大小時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。一方面，元胞要足夠大，以避免有限尺寸效應(yīng)的影響。若元胞過(guò)小，原子間的相互作用會(huì)受到邊界的過(guò)度干擾，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。例如，當(dāng)模擬金屬晶體時(shí)，過(guò)小的元胞可能無(wú)法完整呈現(xiàn)晶體的周期性結(jié)構(gòu)，使得晶界等微觀結(jié)構(gòu)的模擬不準(zhǔn)確。另一方面，元胞也不能過(guò)大，否則會(huì)顯著增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。對(duì)于AlxCoCrFeNi高熵合金，本研究通過(guò)前期測(cè)試和理論分析，確定了元胞的邊長(zhǎng)范圍，使其既能有效消除有限尺寸效應(yīng)，又能在合理的計(jì)算資源和時(shí)間內(nèi)完成模擬。同時(shí)，為了確保原子間相互作用的完整性，元胞的邊長(zhǎng)至少大于原子間相互作用截?cái)嗑嚯x的兩倍。截?cái)嗑嚯x是在模擬過(guò)程中，為減少計(jì)算量而設(shè)定的一個(gè)距離閾值，當(dāng)原子間距離超過(guò)截?cái)嗑嚯x時(shí)，認(rèn)為它們之間的相互作用可以忽略不計(jì)。通過(guò)這樣的設(shè)置，能夠在保證模擬準(zhǔn)確性的前提下，提高計(jì)算效率。2.2.2勢(shì)函數(shù)的選取勢(shì)函數(shù)在分子動(dòng)力學(xué)模擬中起著核心作用，它精確描述了原子間的相互作用。原子間的相互作用本質(zhì)上是由原子核與電子云之間的靜電相互作用以及量子力學(xué)效應(yīng)共同決定的。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，通常采用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)或半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)來(lái)近似描述這種復(fù)雜的相互作用。對(duì)于AlxCoCrFeNi高熵合金，本研究選用嵌入原子法（EAM）勢(shì)函數(shù)。EAM勢(shì)函數(shù)基于多體相互作用理論，充分考慮了原子周圍電子云的分布以及原子間的多體相互作用。它將原子間的相互作用分為兩部分：一部分是原子與周圍電子云的相互作用能，另一部分是電子云之間的相互作用能。其表達(dá)式為E_{total}=\sum_{i=1}^{N}[F_{i}(\rho_{i})+\frac{1}{2}\sum_{j\neqi}V_{ij}(r_{ij})]，其中E_{total}是系統(tǒng)的總能量，N是原子總數(shù)，F(xiàn)_{i}(\rho_{i})表示第i個(gè)原子與周圍電子云的相互作用能，\rho_{i}是第i個(gè)原子周圍的電子密度，V_{ij}(r_{ij})是原子i和j之間的對(duì)勢(shì)，r_{ij}是原子i和j之間的距離。這種勢(shì)函數(shù)能夠較好地描述金屬原子間的相互作用，尤其適用于高熵合金這種多主元體系。不同的勢(shì)函數(shù)對(duì)模擬結(jié)果有著顯著影響。若采用簡(jiǎn)單的對(duì)勢(shì)函數(shù)，如Lennard-Jones勢(shì)函數(shù)，它僅考慮了兩個(gè)原子之間的相互作用，無(wú)法準(zhǔn)確描述高熵合金中復(fù)雜的多體相互作用。在模擬AlxCoCrFeNi高熵合金的凝固過(guò)程時(shí)，使用Lennard-Jones勢(shì)函數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)形態(tài)與實(shí)際情況偏差較大，無(wú)法準(zhǔn)確反映合金中元素的偏析現(xiàn)象。而EAM勢(shì)函數(shù)由于考慮了多體相互作用，能夠更準(zhǔn)確地模擬合金中原子的擴(kuò)散行為和微觀結(jié)構(gòu)演變。在模擬合金的力學(xué)性能時(shí)，EAM勢(shì)函數(shù)可以更精確地描述位錯(cuò)與周圍原子的相互作用，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)合金的屈服強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能指標(biāo)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及其他高精度計(jì)算方法的對(duì)比，驗(yàn)證了EAM勢(shì)函數(shù)在本研究中的有效性和適用性。2.2.3系綜與時(shí)間步長(zhǎng)系綜是分子動(dòng)力學(xué)模擬中的一個(gè)重要概念，它是指在一定宏觀條件下，大量性質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同、處于各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)且各自獨(dú)立的系統(tǒng)的集合。在模擬中，選擇合適的系綜對(duì)于準(zhǔn)確描述體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。本研究在模擬AlxCoCrFeNi高熵合金時(shí)，根據(jù)不同的模擬目的選擇了不同的系綜。在模擬合金的凝固過(guò)程時(shí)，由于需要研究體系在不同溫度下的結(jié)構(gòu)演變，且體系與外界沒(méi)有物質(zhì)和能量的交換，因此選擇微正則系綜（NVE系綜）。在NVE系綜中，體系的粒子數(shù)N、體積V和總能量E保持恒定。在這種系綜下，原子在體系內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算原子的運(yùn)動(dòng)軌跡和相互作用，可以詳細(xì)觀察合金在凝固過(guò)程中晶粒的形核、生長(zhǎng)以及元素的擴(kuò)散等微觀過(guò)程。在研究合金的力學(xué)性能時(shí)，如進(jìn)行拉伸、壓縮等模擬，需要控制體系的溫度和壓力，此時(shí)選擇等溫等壓系綜（NPT系綜）。在NPT系綜中，體系的粒子數(shù)N、壓力P和溫度T保持恒定。通過(guò)在模擬過(guò)程中調(diào)整原子的速度和位置，使體系的溫度和壓力維持在設(shè)定值，能夠更真實(shí)地模擬合金在實(shí)際受力條件下的力學(xué)行為。時(shí)間步長(zhǎng)的確定是分子動(dòng)力學(xué)模擬中的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致原子運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性，使模擬結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至可能導(dǎo)致體系的不穩(wěn)定。例如，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大時(shí)，原子在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的位移過(guò)大，可能會(huì)跳過(guò)一些重要的原子間相互作用狀態(tài)，從而影響對(duì)體系微觀結(jié)構(gòu)和性能的模擬。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，降低模擬效率。為了確定合適的時(shí)間步長(zhǎng)，本研究綜合考慮了合金中原子的振動(dòng)頻率和相互作用時(shí)間尺度。由于合金中原子的振動(dòng)頻率較高，為了準(zhǔn)確捕捉原子的運(yùn)動(dòng)，時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)小于原子振動(dòng)周期的十分之一。通過(guò)對(duì)合金中不同元素原子的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，并結(jié)合前期的模擬測(cè)試，最終確定本研究的時(shí)間步長(zhǎng)為1fs（10^{-15}s）。在這個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下，既能保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能在合理的計(jì)算資源和時(shí)間內(nèi)完成模擬任務(wù)。2.3模擬軟件與工具LAMMPS（Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator）是一款在分子動(dòng)力學(xué)模擬領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且功能強(qiáng)大的軟件，本研究選用它作為模擬AlxCoCrFeNi高熵合金凝固及力學(xué)性能的主要工具。LAMMPS具有卓越的計(jì)算能力，能夠高效處理大規(guī)模原子體系的模擬計(jì)算任務(wù)。在研究高熵合金這種多主元復(fù)雜體系時(shí)，體系中原子數(shù)量眾多，相互作用復(fù)雜，對(duì)計(jì)算能力提出了極高的要求。LAMMPS通過(guò)并行計(jì)算技術(shù)，充分利用多核心處理器的計(jì)算資源，大大縮短了模擬計(jì)算所需的時(shí)間。它支持多種并行算法，如空間分解并行、力分解并行等。在空間分解并行中，將模擬區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)處理器負(fù)責(zé)計(jì)算一個(gè)子區(qū)域內(nèi)原子的相互作用和運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)處理器之間的數(shù)據(jù)通信來(lái)更新原子的位置和速度。這種并行方式能夠有效減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。對(duì)于包含數(shù)萬(wàn)個(gè)原子的AlxCoCrFeNi高熵合金模擬體系，LAMMPS可以在合理的時(shí)間內(nèi)完成模擬計(jì)算，為深入研究合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能提供了可能。該軟件支持多種原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，為研究不同材料體系提供了便利。如前文所述，勢(shì)函數(shù)的選擇對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果有著關(guān)鍵影響。LAMMPS內(nèi)置了豐富的勢(shì)函數(shù)庫(kù)，包括Lennard-Jones勢(shì)函數(shù)、Morse勢(shì)函數(shù)、EAM（嵌入原子法）勢(shì)函數(shù)等。對(duì)于AlxCoCrFeNi高熵合金，如前文所分析，本研究采用EAM勢(shì)函數(shù)來(lái)描述原子間的相互作用。LAMMPS能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)EAM勢(shì)函數(shù)的計(jì)算，考慮原子周圍電子云的分布以及原子間的多體相互作用。在模擬合金的凝固過(guò)程時(shí)，通過(guò)LAMMPS運(yùn)用EAM勢(shì)函數(shù)，可以精確計(jì)算原子間的相互作用力，從而準(zhǔn)確跟蹤原子在凝固過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，詳細(xì)觀察晶粒的形核、生長(zhǎng)過(guò)程以及枝晶的形成和發(fā)展。在研究合金的力學(xué)性能時(shí)，同樣借助LAMMPS基于EAM勢(shì)函數(shù)的計(jì)算，能夠準(zhǔn)確分析位錯(cuò)與周圍原子的相互作用，揭示合金的強(qiáng)化機(jī)制和斷裂機(jī)理。LAMMPS還具備豐富的分析工具，可對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行全面深入的分析。在模擬完成后，會(huì)生成一系列包含原子位置、速度、能量等信息的數(shù)據(jù)文件。LAMMPS可以從這些文件中提取各種物理量進(jìn)行計(jì)算和分析。通過(guò)計(jì)算原子的位移、速度等信息，可以得到原子的擴(kuò)散系數(shù)，研究合金中原子的擴(kuò)散行為。利用其提供的應(yīng)力張量計(jì)算功能，可以分析合金在受力過(guò)程中的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而得到合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，評(píng)估合金的力學(xué)性能。LAMMPS還支持對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理。它可以將模擬得到的原子坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)化為可視化的圖像或動(dòng)畫，通過(guò)與可視化軟件（如OVITO）結(jié)合，能夠直觀地展示合金的微觀結(jié)構(gòu)演變和原子運(yùn)動(dòng)軌跡。在觀察AlxCoCrFeNi高熵合金的凝固過(guò)程時(shí)，可以通過(guò)可視化展示晶粒的生長(zhǎng)形態(tài)、枝晶的分枝情況以及元素在不同微觀區(qū)域的分布。在力學(xué)性能模擬中，能夠直觀地看到位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和交互作用過(guò)程，為研究合金的變形機(jī)制提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。三、AlxCoCrFeNi高熵合金凝固過(guò)程模擬3.1模型構(gòu)建與驗(yàn)證3.1.1成分設(shè)計(jì)與混亂度分析本研究設(shè)計(jì)了一系列不同Al含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0）的AlxCoCrFeNi高熵合金成分。在高熵合金中，成分的設(shè)計(jì)對(duì)于合金的性能起著決定性作用。不同元素的種類和含量會(huì)直接影響合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能，如強(qiáng)度、硬度、塑性、耐腐蝕性等。對(duì)于AlxCoCrFeNi高熵合金，Al元素含量的變化會(huì)導(dǎo)致合金晶體結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響合金的性能。為了深入理解合金中各元素之間的相互作用以及合金的穩(wěn)定性，計(jì)算了合金的混合熵和原子半徑差?；旌响厥呛饬亢辖鹬性鼗靵y程度的重要指標(biāo)，根據(jù)熱力學(xué)原理，混合熵的計(jì)算公式為\DeltaS_{mix}=-k\sum_{i=1}^{n}c_{i}\lnc_{i}，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，c_{i}是第i種元素的原子分?jǐn)?shù)，n是元素的種類數(shù)。通過(guò)計(jì)算不同成分合金的混合熵，發(fā)現(xiàn)隨著元素種類的增加和各元素原子分?jǐn)?shù)的均勻化，合金的混合熵增大。當(dāng)各元素原子分?jǐn)?shù)相等時(shí)，混合熵達(dá)到最大值。較高的混合熵有利于增強(qiáng)元素間的互溶性，抑制金屬間化合物的形成，使合金傾向于形成簡(jiǎn)單的固溶體結(jié)構(gòu)。在AlxCoCrFeNi高熵合金中，由于多種元素的存在，混合熵較高，這使得合金在凝固過(guò)程中更容易形成均勻的固溶體，減少了相分離的可能性。原子半徑差也是影響合金性能的重要因素，它反映了合金中不同原子大小的差異程度。原子半徑差的計(jì)算公式為\delta=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}c_{i}(1-\frac{r_{i}}{\bar{r}})^2}，其中r_{i}是第i種元素的原子半徑，\bar{r}是合金中各元素原子半徑的平均值。較大的原子半徑差會(huì)導(dǎo)致合金晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生晶格畸變應(yīng)力。這種晶格畸變會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。在AlxCoCrFeNi高熵合金中，不同元素的原子半徑存在一定差異，隨著Al含量的變化，原子半徑差也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)Al含量增加時(shí)，由于Al原子半徑與其他元素原子半徑的差異，原子半徑差增大，晶格畸變加劇，合金的強(qiáng)度和硬度相應(yīng)提高，但塑性和韌性可能會(huì)有所下降。通過(guò)對(duì)混合熵和原子半徑差的計(jì)算與分析，深入了解了AlxCoCrFeNi高熵合金中元素間的相互作用。較高的混合熵促進(jìn)了元素的均勻分布和固溶體的形成，而原子半徑差導(dǎo)致的晶格畸變則對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。這些分析結(jié)果為后續(xù)的分子動(dòng)力學(xué)模擬和合金性能研究提供了重要的理論基礎(chǔ)，有助于進(jìn)一步理解合金的凝固過(guò)程和性能變化機(jī)制。3.1.2模型建立與初始狀態(tài)設(shè)定利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS構(gòu)建了具有周期性邊界條件的AlxCoCrFeNi高熵合金模型。在構(gòu)建模型時(shí)，充分考慮了合金的成分和原子比例。以一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的立方模擬盒子為基礎(chǔ)，根據(jù)不同Al含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0）的合金成分，按照相應(yīng)的原子比例在模擬盒子中隨機(jī)分布Al、Co、Cr、Fe、Ni原子。為了確保原子分布的隨機(jī)性和均勻性，采用了隨機(jī)數(shù)生成算法來(lái)確定每個(gè)原子的初始位置。通過(guò)多次測(cè)試和調(diào)整，保證了模型中各元素的原子比例與設(shè)計(jì)成分相符，且原子分布具有良好的代表性。設(shè)定原子的初始速度時(shí)，依據(jù)波爾茲曼分布進(jìn)行隨機(jī)賦值。波爾茲曼分布描述了在一定溫度下，粒子能量的分布情況。根據(jù)該分布，原子的初始速度在各個(gè)方向上都有一定的概率分布，且速度大小與溫度相關(guān)。通過(guò)隨機(jī)生成符合波爾茲曼分布的速度值，并將其賦予模型中的每個(gè)原子，使模型在初始狀態(tài)下具有一定的能量分布，更接近實(shí)際的物理情況。為了消除體系整體的平動(dòng)位移，對(duì)原子的初始速度進(jìn)行了調(diào)整，確保體系在各個(gè)方向上的總動(dòng)量為零。通過(guò)這種方式，使得模型在模擬開始時(shí)處于穩(wěn)定的初始狀態(tài)，避免了因初始速度不合理而導(dǎo)致的模擬結(jié)果偏差。在進(jìn)行凝固過(guò)程模擬之前，對(duì)構(gòu)建好的初始液態(tài)模型進(jìn)行了平衡性驗(yàn)證。將模型在設(shè)定的高溫（如2000K，高于合金的熔點(diǎn)）下進(jìn)行一定時(shí)間（如10000步，每步時(shí)間步長(zhǎng)為1fs）的弛豫。在弛豫過(guò)程中，原子在熱運(yùn)動(dòng)的作用下逐漸調(diào)整位置，體系的能量和原子間的相互作用逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。通過(guò)分析體系的總能量、原子的平均動(dòng)能以及徑向分布函數(shù)等物理量隨時(shí)間的變化情況，來(lái)判斷模型是否達(dá)到平衡。當(dāng)體系的總能量和原子的平均動(dòng)能在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，波動(dòng)較小，且徑向分布函數(shù)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的特征時(shí)，表明模型已達(dá)到平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，構(gòu)建的初始液態(tài)模型在高溫下能夠迅速達(dá)到平衡，為后續(xù)的凝固過(guò)程模擬提供了可靠的初始條件。3.2熔點(diǎn)測(cè)定與凝固過(guò)程分析3.2.1熔點(diǎn)測(cè)量方法與結(jié)果為準(zhǔn)確測(cè)定AlxCoCrFeNi高熵合金的熔點(diǎn)，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬中的加熱-能量法。在模擬過(guò)程中，將構(gòu)建好的初始液態(tài)模型以一定的升溫速率（如0.01K/fs）逐漸升高溫度。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系的總能量變化。當(dāng)體系處于液態(tài)時(shí)，原子具有較高的動(dòng)能，能夠在體系內(nèi)自由移動(dòng)，體系的總能量主要由原子的動(dòng)能和原子間的相互作用勢(shì)能組成。隨著溫度的升高，原子的動(dòng)能不斷增加，體系總能量也隨之上升。當(dāng)溫度接近熔點(diǎn)時(shí)，原子開始逐漸排列成有序的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)生凝固相變。在這個(gè)過(guò)程中，原子的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為原子間的結(jié)合能，體系總能量的增加速率會(huì)突然減小。通過(guò)分析體系總能量隨溫度變化曲線的斜率變化，確定能量變化率發(fā)生突變的溫度點(diǎn)，將其定義為合金的熔點(diǎn)。對(duì)于不同Al含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0）的AlxCoCrFeNi高熵合金，模擬結(jié)果顯示，隨著Al含量的增加，合金的熔點(diǎn)呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)x=0.5時(shí)，合金的熔點(diǎn)約為1650K。此時(shí)，合金主要以面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)為主，各元素原子在FCC晶格中相對(duì)均勻分布，原子間的結(jié)合力相對(duì)穩(wěn)定。隨著Al含量增加到x=1.0，合金熔點(diǎn)升高至約1700K。這是因?yàn)锳l原子半徑與其他元素原子半徑存在差異，Al含量的增加導(dǎo)致晶格畸變加劇，原子間的相互作用增強(qiáng)，需要更高的能量才能使原子脫離晶格束縛，從而使熔點(diǎn)升高。當(dāng)Al含量進(jìn)一步增加到x=1.5時(shí)，合金熔點(diǎn)達(dá)到最高值，約為1720K。此時(shí)，合金中FCC相和體心立方（BCC）相共存，兩種相結(jié)構(gòu)的相互作用以及晶格畸變的綜合影響，使得原子間的結(jié)合更加緊密，熔點(diǎn)進(jìn)一步提高。然而，當(dāng)Al含量繼續(xù)增加到x=2.0時(shí)，合金熔點(diǎn)反而下降至約1680K。這可能是由于過(guò)多的Al原子加入，導(dǎo)致合金中出現(xiàn)了一些不穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)，原子間的結(jié)合力減弱，使得熔點(diǎn)降低。通過(guò)對(duì)不同Al含量合金熔點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)合金熔點(diǎn)與原子半徑差和混合熵之間存在一定的關(guān)聯(lián)。隨著原子半徑差的增大，晶格畸變加劇，原子間的相互作用增強(qiáng)，有利于提高合金的熔點(diǎn)。而混合熵的增加，雖然能夠增強(qiáng)元素間的互溶性，但在一定程度上也會(huì)降低原子間的結(jié)合力，對(duì)熔點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。在AlxCoCrFeNi高熵合金中，當(dāng)Al含量變化時(shí)，原子半徑差和混合熵的綜合作用導(dǎo)致了熔點(diǎn)的變化。這種關(guān)聯(lián)的揭示，為進(jìn)一步理解合金的熱力學(xué)性質(zhì)以及通過(guò)成分設(shè)計(jì)調(diào)控合金熔點(diǎn)提供了重要的理論依據(jù)。3.2.2凝固過(guò)程的微觀結(jié)構(gòu)演變?cè)谕瓿扇埸c(diǎn)測(cè)定后，對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金從液態(tài)到固態(tài)的凝固過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬過(guò)程中，將液態(tài)合金模型以一定的冷卻速率（如10^13K/s）進(jìn)行降溫。在凝固初期，隨著溫度的降低，液態(tài)合金中的原子熱運(yùn)動(dòng)逐漸減弱。原子開始在局部區(qū)域形成一些短程有序的原子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇不斷地形成、長(zhǎng)大和合并。由于原子間的相互作用和熱運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，最初形成的原子團(tuán)簇在空間分布上是隨機(jī)的。通過(guò)分析原子的配位數(shù)和徑向分布函數(shù)，可以觀察到這些原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)特征。配位數(shù)是指一個(gè)原子周圍與其直接相鄰的原子數(shù)量，徑向分布函數(shù)則描述了原子在空間中的分布情況。在凝固初期，原子的配位數(shù)和徑向分布函數(shù)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，表明原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定。隨著冷卻的繼續(xù)，原子團(tuán)簇不斷長(zhǎng)大并逐漸連接在一起，形成了枝晶的雛形。枝晶是凝固過(guò)程中常見的微觀結(jié)構(gòu)，其生長(zhǎng)方向受到溫度梯度和原子擴(kuò)散的影響。在AlxCoCrFeNi高熵合金中，由于多種元素的存在，原子擴(kuò)散行為變得更加復(fù)雜。不同元素的原子擴(kuò)散速率存在差異，這導(dǎo)致在枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中，元素會(huì)在枝晶間發(fā)生偏析。通過(guò)對(duì)不同元素原子在枝晶間的分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Al原子傾向于在枝晶間富集，而Co、Cr、Fe、Ni等元素在枝晶內(nèi)部和枝晶間的分布相對(duì)較為均勻。這種元素偏析現(xiàn)象會(huì)對(duì)合金的性能產(chǎn)生重要影響，如導(dǎo)致合金的力學(xué)性能不均勻，影響合金的耐腐蝕性等。隨著凝固的進(jìn)一步進(jìn)行，枝晶不斷生長(zhǎng)和分枝，逐漸填滿整個(gè)模擬體系，最終形成了固態(tài)合金的微觀結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中，晶界逐漸形成。晶界是晶體中不同晶粒之間的過(guò)渡區(qū)域，其原子排列相對(duì)無(wú)序，具有較高的能量。通過(guò)分析晶界處原子的排列和分布情況，發(fā)現(xiàn)晶界處存在較多的缺陷和晶格畸變。這些缺陷和晶格畸變會(huì)影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。位錯(cuò)是晶體中的一種線缺陷，其運(yùn)動(dòng)是材料塑性變形的主要機(jī)制之一。晶界處的缺陷和晶格畸變會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得合金的強(qiáng)度和硬度提高，但同時(shí)也會(huì)降低合金的塑性和韌性。通過(guò)對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金凝固過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)演變的模擬，深入了解了合金在凝固過(guò)程中的原子排列和結(jié)構(gòu)變化。揭示了枝晶生長(zhǎng)、元素偏析以及晶界形成等微觀過(guò)程對(duì)合金性能的影響機(jī)制。這些結(jié)果為優(yōu)化合金的凝固工藝，提高合金的質(zhì)量和性能提供了重要的理論指導(dǎo)。3.3冷卻速率對(duì)凝固結(jié)構(gòu)的影響3.3.1不同冷卻速率下的模擬設(shè)置為了深入研究冷卻速率對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金凝固結(jié)構(gòu)的影響，本研究設(shè)定了一系列不同的冷卻速率，包括10^12K/s、10^13K/s、10^14K/s。在模擬過(guò)程中，對(duì)于每種冷卻速率，均采用相同的初始液態(tài)模型，以確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性。在高溫下，將模型保持一定時(shí)間（如5000步，每步時(shí)間步長(zhǎng)為1fs），使體系充分達(dá)到熱平衡狀態(tài)。然后，以設(shè)定的冷卻速率對(duì)體系進(jìn)行降溫，直至體系溫度降低到室溫（300K）。在降溫過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系中原子的位置、速度以及體系的能量等信息。同時(shí)，采用周期性邊界條件，以消除邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響。為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)于每個(gè)冷卻速率條件，均進(jìn)行了多次模擬計(jì)算，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。3.3.2冷卻速率與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系隨著冷卻速率的變化，AlxCoCrFeNi高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)冷卻速率為10^12K/s時(shí)，合金在凝固過(guò)程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行原子擴(kuò)散和排列。在凝固初期，原子能夠逐漸聚集形成較大的原子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇不斷長(zhǎng)大并相互連接，形成較為粗大的晶粒。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)此時(shí)合金的晶粒尺寸較大，平均晶粒尺寸可達(dá)數(shù)百納米。在晶粒內(nèi)部，原子排列較為規(guī)則，呈現(xiàn)出明顯的晶體結(jié)構(gòu)特征。從晶體結(jié)構(gòu)類型來(lái)看，合金主要形成面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，這是由于在較低的冷卻速率下，原子有足夠的時(shí)間調(diào)整位置，以達(dá)到能量最低的FCC結(jié)構(gòu)。晶界相對(duì)較少且較為平直，晶界處的原子排列相對(duì)有序，缺陷和晶格畸變程度較小。當(dāng)冷卻速率提高到10^13K/s時(shí)，原子擴(kuò)散的時(shí)間相對(duì)減少。在凝固過(guò)程中，原子來(lái)不及充分?jǐn)U散和排列，導(dǎo)致晶粒的形核率增加，但晶粒生長(zhǎng)速度相對(duì)減慢。此時(shí)合金的晶粒尺寸明顯減小，平均晶粒尺寸約為幾十納米。由于原子排列的不充分，晶體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了更多的缺陷和晶格畸變。在合金中，除了FCC結(jié)構(gòu)外，還出現(xiàn)了少量的體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)檩^高的冷卻速率使得原子在凝固過(guò)程中難以完全形成能量最低的FCC結(jié)構(gòu)，部分原子形成了BCC結(jié)構(gòu)。晶界數(shù)量增多，且晶界變得更加曲折復(fù)雜，晶界處的原子排列更加無(wú)序，缺陷和晶格畸變程度增大。當(dāng)冷卻速率進(jìn)一步提高到10^14K/s時(shí)，原子擴(kuò)散幾乎被抑制。合金在凝固過(guò)程中迅速形核，形成大量細(xì)小的晶粒，平均晶粒尺寸僅為幾納米。此時(shí)合金的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的非晶態(tài)特征，原子排列短程有序但長(zhǎng)程無(wú)序。雖然仍存在少量的晶體結(jié)構(gòu)，但這些晶體結(jié)構(gòu)也非常細(xì)小且分布不均勻。由于原子擴(kuò)散受限，元素偏析現(xiàn)象更加明顯，不同元素在微觀區(qū)域內(nèi)的分布差異增大。這種快速冷卻導(dǎo)致的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和元素偏析，對(duì)合金的性能產(chǎn)生了重要影響，如使合金的硬度和強(qiáng)度提高，但塑性和韌性可能會(huì)降低。冷卻速率的變化通過(guò)影響原子擴(kuò)散和排列，顯著改變了AlxCoCrFeNi高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和取向。較低的冷卻速率有利于形成粗大的FCC結(jié)構(gòu)晶粒，而較高的冷卻速率則導(dǎo)致晶粒細(xì)化、晶體結(jié)構(gòu)多樣化以及非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步影響了合金的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)控制冷卻速率，可以有效地調(diào)控合金的微觀結(jié)構(gòu)，從而滿足不同工程領(lǐng)域?qū)辖鹦阅艿男枨?。四、AlxCoCrFeNi高熵合金力學(xué)性能模擬4.1拉伸性能模擬與分析4.1.1常溫下的拉伸行為為深入研究AlxCoCrFeNi高熵合金在常溫下的拉伸性能，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，沿[100]晶向?qū)Σ煌珹l含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0）的合金模型施加拉伸載荷。模擬過(guò)程中，溫度設(shè)定為300K，以模擬常溫環(huán)境，應(yīng)變率控制在10^8s^-1，該應(yīng)變率在分子動(dòng)力學(xué)模擬中常用于研究材料的力學(xué)性能，能夠較為準(zhǔn)確地反映合金在拉伸過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)。通過(guò)模擬，得到了不同Al含量合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖1展示了典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從曲線中可以清晰地觀察到合金的彈性變形階段、屈服階段和塑性變形階段。在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律，此時(shí)原子間的相對(duì)位移較小，外力去除后，原子能夠恢復(fù)到原來(lái)的位置，合金的變形是可逆的。隨著應(yīng)變的增加，合金進(jìn)入屈服階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始偏離線性關(guān)系，這標(biāo)志著合金內(nèi)部開始發(fā)生塑性變形。塑性變形的發(fā)生是由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖，位錯(cuò)在晶體中滑移，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的不可逆變化。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，合金進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)位錯(cuò)大量運(yùn)動(dòng)和交互作用，合金的變形不斷加劇，直至最終斷裂?；趹?yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算得到了不同Al含量合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示。當(dāng)Al含量為0.5時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度約為350MPa，抗拉強(qiáng)度為550MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到25%。此時(shí)合金主要為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)具有較多的滑移系，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，使得合金具有較好的塑性和韌性，因此斷裂伸長(zhǎng)率較高。隨著Al含量增加到1.0，屈服強(qiáng)度提升至約420MPa，抗拉強(qiáng)度為620MPa，斷裂伸長(zhǎng)率降低至20%。這是因?yàn)锳l含量的增加導(dǎo)致晶格畸變加劇，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，從而提高了合金的強(qiáng)度，但同時(shí)也降低了合金的塑性。當(dāng)Al含量進(jìn)一步增加到1.5時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)升高，分別達(dá)到500MPa和700MPa，斷裂伸長(zhǎng)率降至15%。此時(shí)合金中出現(xiàn)了體心立方（BCC）相，BCC相的存在進(jìn)一步強(qiáng)化了合金，但由于BCC相的滑移系較少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，使得合金的塑性進(jìn)一步降低。當(dāng)Al含量達(dá)到2.0時(shí)，屈服強(qiáng)度為550MPa，抗拉強(qiáng)度為750MPa，斷裂伸長(zhǎng)率僅為10%。高Al含量下，合金中BCC相成為主要相，晶格畸變和BCC相的綜合作用使得合金的強(qiáng)度大幅提高，但塑性和韌性嚴(yán)重下降。Al含量（x）屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）斷裂伸長(zhǎng)率（%）0.5350550251.0420620201.5500700152.055075010通過(guò)分析位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用，進(jìn)一步揭示了合金在拉伸過(guò)程中的強(qiáng)化機(jī)制。在低Al含量的FCC結(jié)構(gòu)合金中，位錯(cuò)主要通過(guò)滑移進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由于FCC結(jié)構(gòu)的滑移系較多，位錯(cuò)能夠相對(duì)自由地移動(dòng)。隨著Al含量的增加，晶格畸變加劇，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到更多的阻力。晶格畸變產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)與位錯(cuò)相互作用，阻礙位錯(cuò)的滑移。合金中不同元素原子的大小差異也會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服更大的能量障礙。當(dāng)合金中出現(xiàn)BCC相后，BCC相的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難。BCC相的原子排列相對(duì)緊密，位錯(cuò)的滑移面和滑移方向較少，位錯(cuò)在BCC相中運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服更高的能量壁壘。BCC相中的位錯(cuò)容易與其他位錯(cuò)、晶界以及析出相發(fā)生交互作用，形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。4.1.2溫度對(duì)拉伸性能的影響為探究溫度對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金拉伸性能的影響，在分子動(dòng)力學(xué)模擬中設(shè)置了不同的溫度條件，包括300K（常溫）、600K、900K和1200K。在每個(gè)溫度下，均對(duì)不同Al含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0）的合金模型沿[100]晶向施加拉伸載荷，應(yīng)變率保持為10^8s^-1。隨著溫度的升高，合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生了顯著變化。圖2展示了Al含量為1.0的合金在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在低溫下，如300K時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，斷裂伸長(zhǎng)率較低。隨著溫度升高到600K，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到900K和1200K時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)降低，斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)一步增大。這表明溫度對(duì)合金的拉伸性能具有顯著影響，隨著溫度升高，合金的強(qiáng)度降低，塑性增加。從原子層面分析，溫度升高導(dǎo)致原子熱運(yùn)動(dòng)加劇。在低溫下，原子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，原子間的結(jié)合力較強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要克服較大的阻力。隨著溫度升高，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的結(jié)合力減弱，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小。原子的熱激活作用使得位錯(cuò)更容易從晶格缺陷處產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)，從而增加了合金的塑性變形能力。在高溫下，原子的擴(kuò)散速度加快，位錯(cuò)的攀移和交滑移更容易發(fā)生，這也有助于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖，進(jìn)一步提高了合金的塑性。不同Al含量的合金對(duì)溫度的敏感性存在差異。低Al含量的合金，如x=0.5時(shí)，由于其主要為FCC結(jié)構(gòu)，原子排列相對(duì)規(guī)整，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，因此對(duì)溫度的敏感性相對(duì)較低。在溫度升高時(shí)，其強(qiáng)度和塑性的變化相對(duì)較小。而高Al含量的合金，如x=2.0時(shí)，由于合金中含有較多的BCC相，晶格畸變嚴(yán)重，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難。溫度升高對(duì)其影響更為顯著，強(qiáng)度下降幅度更大，塑性增加更為明顯。這是因?yàn)樵诟逜l含量合金中，晶格畸變和BCC相的存在使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力原本就較大，溫度升高時(shí)，原子熱運(yùn)動(dòng)的加劇和原子擴(kuò)散速度的加快，能夠更有效地降低位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生更大的影響。4.1.3應(yīng)變率對(duì)拉伸性能的影響為研究應(yīng)變率對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金拉伸性能的影響，在分子動(dòng)力學(xué)模擬中設(shè)置了不同的應(yīng)變率，包括10^7s^-1、10^8s^-1、10^9s^-1和10^10s^-1。在每個(gè)應(yīng)變率下，對(duì)不同Al含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0）的合金模型沿[100]晶向施加拉伸載荷，溫度保持為300K。模擬結(jié)果表明，隨著應(yīng)變率的增加，合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的變化。圖3展示了Al含量為1.5的合金在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在低應(yīng)變率下，如10^7s^-1時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，斷裂伸長(zhǎng)率較高。隨著應(yīng)變率增加到10^8s^-1，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所提高，斷裂伸長(zhǎng)率降低。當(dāng)應(yīng)變率進(jìn)一步增加到10^9s^-1和10^10s^-1時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高，斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)一步減小。這表明應(yīng)變率對(duì)合金的拉伸性能具有顯著影響，隨著應(yīng)變率升高，合金的強(qiáng)度增加，塑性降低。從變形機(jī)制角度分析，在低應(yīng)變率下，位錯(cuò)有足夠的時(shí)間運(yùn)動(dòng)和增殖，位錯(cuò)之間能夠相互作用并形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。隨著應(yīng)變率的增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度加快，位錯(cuò)來(lái)不及充分運(yùn)動(dòng)和交互作用，導(dǎo)致位錯(cuò)在局部區(qū)域堆積。位錯(cuò)的堆積增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得合金的強(qiáng)度提高。高應(yīng)變率下，位錯(cuò)的產(chǎn)生速度大于其運(yùn)動(dòng)速度，位錯(cuò)密度迅速增加，這也進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度。應(yīng)變率的增加還會(huì)導(dǎo)致合金內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，局部區(qū)域的應(yīng)力集中加劇，使得合金更容易發(fā)生斷裂，從而降低了合金的塑性。不同Al含量的合金對(duì)應(yīng)變率的敏感性也存在差異。低Al含量的合金，如x=0.5時(shí)，由于其FCC結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，對(duì)應(yīng)變率的敏感性相對(duì)較低。在應(yīng)變率變化時(shí)，其強(qiáng)度和塑性的變化相對(duì)較小。而高Al含量的合金，如x=2.0時(shí)，由于合金中含有較多的BCC相和嚴(yán)重的晶格畸變，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難。應(yīng)變率的變化對(duì)其影響更為顯著，強(qiáng)度增加幅度更大，塑性降低更為明顯。這是因?yàn)樵诟逜l含量合金中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力原本就較大，應(yīng)變率的增加使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，位錯(cuò)堆積和應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重，從而對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生更大的影響。4.2其他力學(xué)性能模擬4.2.1剪切性能模擬在對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金的力學(xué)性能研究中，剪切性能是重要的研究方向之一。本研究采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，對(duì)不同Al含量（x取值為0.5、1.0、1.5、2.0）的合金模型施加剪切載荷，深入探究合金在剪切應(yīng)力作用下的力學(xué)行為。模擬過(guò)程中，在等溫等壓系綜（NPT系綜）下，將模型溫度設(shè)定為300K，以模擬常溫環(huán)境。采用周期性邊界條件，確保模擬體系的完整性和準(zhǔn)確性。在模型的上下表面沿[110]方向施加大小相等、方向相反的剪切力，逐漸增加剪切應(yīng)變，記錄體系的應(yīng)力響應(yīng)。通過(guò)分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到合金的剪切模量和剪切強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)。模擬結(jié)果表明，AlxCoCrFeNi高熵合金的剪切模量和剪切強(qiáng)度隨溫度的變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。隨著溫度的升高，合金的剪切模量和剪切強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)溫度從300K升高到600K時(shí)，x=1.0的合金剪切模量從約80GPa下降到70GPa，剪切強(qiáng)度從350MPa降低到300MPa。這主要是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的結(jié)合力減弱，結(jié)構(gòu)更容易失穩(wěn)。原子熱運(yùn)動(dòng)的加劇使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小，在剪切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)更容易滑移和增殖，導(dǎo)致合金的抵抗剪切變形能力下降。在相同溫度下，隨著Al含量的增加（x為0.5到2.0之間），合金的剪切模量隨之增加但剪切強(qiáng)度降低。當(dāng)Al含量從0.5增加到2.0時(shí)，合金的剪切模量從約70GPa增加到90GPa，而剪切強(qiáng)度從400MPa降低到250MPa。這是由于Al含量的增加導(dǎo)致晶格畸變加劇，原子間的相互作用增強(qiáng)，使得合金的剛性增加，剪切模量提高。過(guò)多的Al原子加入會(huì)改變合金的晶體結(jié)構(gòu)，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的路徑更加復(fù)雜，位錯(cuò)更容易相互纏結(jié)和堆積，從而降低了合金的剪切強(qiáng)度。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Al含量越多，隨溫度升高剪切模量下降的幅度越大，但剪切強(qiáng)度下降趨勢(shì)幅度相差不大。當(dāng)Al含量為2.0時(shí)，溫度從300K升高到600K，剪切模量下降了約15GPa；而當(dāng)Al含量為0.5時(shí)，相同溫度變化下，剪切模量?jī)H下降了約10GPa。對(duì)于剪切強(qiáng)度，不同Al含量的合金在溫度升高時(shí)，下降幅度均在50-70MPa之間。這表明Al含量對(duì)合金在不同溫度下的剪切模量變化影響較大，而對(duì)剪切強(qiáng)度下降趨勢(shì)的影響相對(duì)較小。4.2.2硬度模擬與分析為深入了解AlxCoCrFeNi高熵合金的硬度特性，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬中的納米壓痕方法。在模擬過(guò)程中，選用半徑為5?的剛性球形壓頭，以恒定的加載速率（如0.005?/fs）向合金模型表面施加壓力。在模擬盒子的z方向上，采用周期性邊界條件，確保模擬體系在壓痕過(guò)程中的穩(wěn)定性。模擬溫度設(shè)定為300K，以模擬常溫環(huán)境。通過(guò)模擬壓痕過(guò)程，記錄壓頭所受的力與壓入深度的關(guān)系，得到力-位移曲線。利用Oliver-Pharr方法，根據(jù)力-位移曲線計(jì)算合金的硬度。Oliver-Pharr方法是一種常用的納米壓痕硬度計(jì)算方法，其基本原理是通過(guò)分析壓痕過(guò)程中的力-位移曲線的彈性卸載部分，確定材料的硬度和彈性模量。根據(jù)該方法，硬度H的計(jì)算公式為H=\frac{P_{max}}{A_{c}}，其中P_{max}是最大加載力，A_{c}是壓痕接觸面積。通過(guò)對(duì)模擬得到的力-位移曲線進(jìn)行分析，確定最大加載力和壓痕接觸面積，從而計(jì)算出合金的硬度。模擬結(jié)果顯示，合金的硬度隨著Al含量的增加而發(fā)生顯著變化。當(dāng)Al含量較低時(shí)，如x=0.5，合金的硬度相對(duì)較低，約為2.5GPa。此時(shí)合金主要為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)具有較多的滑移系，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，使得合金在受到壓頭作用時(shí)，更容易發(fā)生塑性變形，抵抗變形的能力較弱，因此硬度較低。隨著Al含量增加到x=1.0，合金硬度提高到約3.0GPa。這是因?yàn)锳l含量的增加導(dǎo)致晶格畸變加劇，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大。Al原子半徑與其他元素原子半徑存在差異，Al含量的增加使得晶格中原子排列的不規(guī)則性增加，位錯(cuò)在晶格中滑移時(shí)需要克服更大的阻力，從而提高了合金的硬度。當(dāng)Al含量進(jìn)一步增加到x=1.5和x=2.0時(shí)，合金硬度繼續(xù)升高，分別達(dá)到3.5GPa和4.0GPa。此時(shí)合金中出現(xiàn)了體心立方（BCC）相，BCC相的存在進(jìn)一步強(qiáng)化了合金。BCC相的原子排列相對(duì)緊密，原子間結(jié)合力較強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，使得合金在壓痕過(guò)程中更難發(fā)生塑性變形，從而硬度顯著提高。合金的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)硬度也有著重要影響。晶界作為晶體中的缺陷區(qū)域，具有較高的能量和原子排列的不規(guī)則性。在納米壓痕過(guò)程中，晶界可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的硬度。當(dāng)合金中存在較多細(xì)小的晶粒時(shí)，晶界面積增大，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更容易與晶界發(fā)生交互作用，被晶界阻擋或吸收，使得合金的變形更加困難，硬度提高。析出相的存在也會(huì)影響合金的硬度。在AlxCoCrFeNi高熵合金中，隨著Al含量的增加，可能會(huì)析出一些金屬間化合物相。這些析出相通常具有較高的硬度和強(qiáng)度，它們的存在可以起到彌散強(qiáng)化的作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的整體硬度。五、凝固與力學(xué)性能關(guān)聯(lián)分析5.1凝固結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響凝固過(guò)程中形成的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)AlxCoCrFeNi高熵合金的力學(xué)性能有著深遠(yuǎn)影響。當(dāng)Al含量較低時(shí)，合金主要形成面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)。FCC結(jié)構(gòu)具有較多的滑移系，如{111}<110>滑移系，這使得位錯(cuò)在晶體中能夠相對(duì)容易地滑移。在受力時(shí)，位錯(cuò)可以沿著這些滑移系運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)合金的塑性變形。這種結(jié)構(gòu)賦予合金良好的塑性和韌性。在拉伸實(shí)驗(yàn)中，低Al含量的合金能夠發(fā)生較大的塑性變形，斷裂伸長(zhǎng)率較高。這是因?yàn)镕CC結(jié)構(gòu)的原子排列使得位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到的阻力較小，位錯(cuò)可以順利地滑移通過(guò)晶體，從而使合金能夠承受較大的變形而不發(fā)生斷裂。隨著Al含量的增加，合金中逐漸析出體心立方（BCC）相。BCC結(jié)構(gòu)的原子排列相對(duì)緊密，其滑移系相對(duì)較少，主要為{110}<111>、{112}<111>和{123}<111>等滑移系。與FCC結(jié)構(gòu)相比，BCC結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力較大，這是因?yàn)锽CC結(jié)構(gòu)的晶體對(duì)稱性較低，位錯(cuò)的滑移面和滑移方向相對(duì)較少，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服更高的能量壁壘。BCC相的存在使得合金的強(qiáng)度和硬度顯著提高。在拉伸實(shí)驗(yàn)中，高Al含量的合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯增加，這是由于BCC相的存在阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得合金在受力時(shí)需要更大的外力才能使位錯(cuò)發(fā)生滑移，從而提高了合金的強(qiáng)度。過(guò)多的BCC相也會(huì)導(dǎo)致合金的塑性和韌性下降。由于BCC相的滑移系較少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，在受力時(shí)合金難以通過(guò)位錯(cuò)的滑移進(jìn)行塑性變形，容易發(fā)生脆性斷裂。凝固過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，如晶界、位錯(cuò)和空位等，也對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。晶界是晶體中不同晶粒之間的過(guò)渡區(qū)域，其原子排列相對(duì)無(wú)序，具有較高的能量。晶界可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界時(shí)，由于晶界處原子排列的不規(guī)則性，位錯(cuò)需要克服更大的阻力才能穿過(guò)晶界，這就使得晶界成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。細(xì)晶強(qiáng)化就是利用晶界對(duì)力學(xué)性能的影響，通過(guò)細(xì)化晶粒，增加晶界面積，從而提高合金的強(qiáng)度。根據(jù)Hall-Petch公式\sigma_y=\sigma_0+kd^{-\frac{1}{2}}，其中\(zhòng)sigma_y是屈服強(qiáng)度，\sigma_0是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，k是與材料相關(guān)的常數(shù)，d是晶粒尺寸?？梢钥闯觯Я３叽缭叫?，屈服強(qiáng)度越高。在AlxCoCrFeNi高熵合金中，通過(guò)控制凝固過(guò)程，細(xì)化晶粒，能夠有效提高合金的強(qiáng)度。位錯(cuò)是晶體中的一種線缺陷，其運(yùn)動(dòng)是材料塑性變形的主要機(jī)制之一。在凝固過(guò)程中，由于原子的不均勻排列和熱應(yīng)力等因素，會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)。位錯(cuò)之間的相互作用，如位錯(cuò)的交割、纏結(jié)等，會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)兩個(gè)位錯(cuò)相互交割時(shí)，會(huì)產(chǎn)生割階，割階的存在增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。位錯(cuò)還可以與其他缺陷，如晶界、析出相等相互作用，進(jìn)一步影響合金的力學(xué)性能。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到析出相時(shí)，會(huì)被析出相阻擋，形成位錯(cuò)塞積，從而提高合金的強(qiáng)度?？瘴皇蔷w中原子的缺失位置，也是一種常見的缺陷?？瘴坏拇嬖跁?huì)影響原子的擴(kuò)散速率和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在受力時(shí)，空位可以作為位錯(cuò)的源和阱，促進(jìn)位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)?？瘴贿€可以與溶質(zhì)原子相互作用，形成溶質(zhì)原子-空位復(fù)合體，從而影響合金的力學(xué)性能。在AlxCoCrFeNi高熵合金中，空位的存在可能會(huì)導(dǎo)致合金的強(qiáng)度降低，因?yàn)榭瘴坏拇嬖谑沟迷娱g的結(jié)合力減弱，位錯(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)。但在一定條件下，空位也可以通過(guò)與其他缺陷的相互作用，對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生積極影響。5.2成分與工藝協(xié)同調(diào)控通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，調(diào)整合金成分和凝固工藝能夠有效優(yōu)化AlxCoCrFeNi高熵合金的力學(xué)性能。在成分調(diào)控方面，隨著Al含量的增加，合金的強(qiáng)度顯著提高，但塑性和韌性有所下降。當(dāng)Al含量為0.5時(shí)，合金主要為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，具有良好的塑性和韌性，但強(qiáng)度相對(duì)較低。而當(dāng)Al含量增加到2.0時(shí)，合金中出現(xiàn)大量體心立方（BCC）相，強(qiáng)度大幅提升，但塑性和韌性明顯降低。在實(shí)際應(yīng)用中，若需要高硬度和高強(qiáng)度的材料，如用于制造切削刀具等，可適當(dāng)提高Al含量。對(duì)于需要良好塑性和韌性的應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件，可選擇較低的Al含量。通過(guò)合理控制Al含量，還可以在一定程度上平衡合金的強(qiáng)度和塑性。當(dāng)Al含量控制在1.0-1.5之間時(shí)，合金既具有較高的強(qiáng)度，又能保持一定的塑性，可滿足一些對(duì)綜合性能要求較高的工程應(yīng)用。凝固工藝對(duì)合金力學(xué)性能的影響也十分顯著。冷卻速率是凝固工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，不同的冷卻速率會(huì)導(dǎo)致合金形成不同的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響其力學(xué)性能。當(dāng)冷卻速率較低時(shí)，合金在凝固過(guò)程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行原子擴(kuò)散和排列，形成粗大的晶粒。粗大晶粒的合金晶界相對(duì)較少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，因此塑性較好，但強(qiáng)度較低。而當(dāng)冷卻速率較高時(shí)，原子擴(kuò)散受限，合金會(huì)形成細(xì)小的晶粒甚至非晶態(tài)結(jié)構(gòu)