锆元素调控AlCoCrFeNiZrx高熵合金微观结构与力学性能的协同机制研究

本研究针对高熵合金(HEAs)性能调控难题，通过添加Zr元素系统探究AlCoCrFeNiZrx体系的晶体结构演变规律。采用XRD、分子动力学模拟和纳米压痕技术，发现Zr含量增加促使合金从BCC相向FCC/非晶混合结构转变，其中Zr0.8合金因形成Lomer-Cottrell(L-C)锁而展现最优硬度(10.83 GPa)，为高性能HEAs设计提供理论依据。

　　

在材料科学领域，高熵合金(HEAs)因其独特的多主元特性和优异的力学性能成为研究热点。传统合金设计常受限于单一主元体系，而HEAs通过高混合熵效应可形成简单固溶体结构，如体心立方(BCC)、面心立方(FCC)或密排六方(HCP)结构。然而，现有HEAs体系存在相组成单一、力学性能可调范围有限等问题，特别是如何通过元素掺杂实现微观结构精准调控仍缺乏系统研究。

为解决这一科学难题，国内某研究机构的研究团队选择AlCoCrFeNi体系为基体，利用Zr元素的大原子半径特性（0.1599 nm），设计AlCoCrFeNiZr_x(x=0.1,0.8,1,5)系列合金。通过真空电弧熔炼制备样品，结合X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和纳米压痕测试等实验手段，并采用分子动力学(MD)模拟揭示原子尺度结构演变规律，相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

关键技术方法包括：1) 真空电弧熔炼制备不同Zr含量的合金样品；2) XRD分析晶体结构演变；3) 纳米压痕测试力学性能；4) TEM观察微观组织与选区电子衍射(SAED)分析；5) 基于LAMMPS软件的分子动力学模拟，采用嵌入原子法(EAM)势函数描述原子相互作用。

3. 结果分析
XRD结果显示Zr含量增加导致相变：Zr_0.1保持BCC结构，Zr_0.8转变为FCC相，Zr₅出现非晶特征峰。纳米压痕测试表明Zr_0.8合金硬度最高(10.83 GPa)，弹性模量随Zr增加单调下降。TEM分析揭示Zr_0.8形成两相层状共晶结构，区域1为Pm3m-211空间群的BCC相，界面处存在有序-无序过渡区。

4. 模型构建与参数设置
分子动力学模拟采用10 ?×20 ?×10 ?的模型盒，包含4000个原子。NPT系综下以54 K/ps速率加热至2400 K后保温10 ps，再以0.06 K/ps冷却至300 K。径向分布函数(RDF)分析显示Zr₅合金第二峰分裂，符合非晶材料特征。

5. 分子动力学模拟
晶体类型分析表明Zr_0.8合金存在大量HCP相孪晶带。配位数统计显示Zr含量增加使CN=14比例从90%(Zr_0.1)降至33%(Zr₅)。均方位移(MSD)曲线证实Zr元素显著抑制其他原子的迁移行为。

6. 讨论
6.1 Zr元素对相变机制的影响
Zr的大原子半径引起晶格畸变，促使BCC→FCC转变。RDF分析表明Zr₅的非晶化源于原子扩散受阻。6.2 晶体结构对性能的影响
Zr_0.8合金中堆垛层错(SFs)形成Lomer-Cottrell锁，通过钉扎位错显著提升强度。分子动力学可视化显示FCC结构中SFs相互拦截形成三维网络，这是该合金硬度峰值的关键机制。

本研究通过多尺度表征揭示了Zr含量对AlCoCrFeNiZrx高熵合金结构-性能的调控规律：适度Zr添加(0.8摩尔比)可诱导FCC相形成并产生SFs强化，过量添加(5摩尔比)则导致非晶化。该发现为设计具有特定性能的高熵合金提供了重要的成分-结构-性能关系模型，在航空航天耐高温材料等领域具有应用前景。