CoCrFeNiMn晶体/非晶双相高熵合金纳米层压材料的尺寸依赖性力学性能

《Materials Today Communications》：Size-dependent mechanical properties in CoCrFeNiMn crystalline/amorphous dual-phase high-entropy alloys nano-laminates

CoCrFeNiMn高熵合金纳米层片的晶粒尺寸（d）和amorphous层厚度（h_a）通过分子动力学模拟研究发现，d减小时弹性模量和平均流变应力呈现逆Hall-Petch关系，塑性变形机制由晶内主导转向晶界主导；而h_a增大时，均匀剪切变形区（STZs）的形成与晶相FCC→HCP转变协同作用提升流变应力。

　　本研究聚焦于CoCrFeNiMn高熵合金（HEA）的晶/非晶双相纳米层状结构，探讨晶粒尺寸和非晶层厚度对其机械性能及塑性变形机制的影响。通过分子动力学模拟方法，研究人员系统分析了不同晶粒尺寸和非晶层厚度下材料在拉伸过程中的行为变化，揭示了晶粒尺寸和非晶层厚度如何通过改变变形机制，进而影响材料的力学响应。

研究结果表明，在保持非晶层厚度不变的情况下，随着晶粒尺寸的减小，材料的杨氏模量和平均流动应力呈现出与传统Hall-Petch效应相反的逆Hall-Petch关系。这意味着材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增加，但其延展性却有所下降。同时，塑性变形机制也发生了显著变化，从以晶粒内部主导的变形转变为以晶界主导的变形。在非晶层中，形成了均匀的剪切转变区（STZs），这些区域在材料变形过程中起到关键作用，有助于吸收局部的原子剪切应变，并转化为更长程的无序原子配置。这种变形机制的转变不仅影响材料的强度，还可能改变其断裂行为。

在另一组实验中，研究关注的是晶粒尺寸保持恒定的情况下，非晶层厚度的变化对材料性能的影响。当非晶层厚度增加时，非晶层中的STZs分布变得更加均匀，材料的平均流动应力表现出更高的稳定性。同时，塑性变形受到非晶层中STZs的均匀分布和晶粒中FCC到HCP相变的协同作用。这表明，非晶层和晶粒结构的相互作用在材料的力学性能中具有重要意义，特别是在增强材料强度和延展性方面。

进一步的研究发现，当晶粒尺寸减小至一定阈值（如7.3纳米）时，非晶层的厚度对材料整体性能的影响变得有限。在这种情况下，材料在拉伸过程中可能会发生破坏，显示出晶粒尺寸减小带来的力学性能变化。而当晶粒尺寸较大时，晶粒结构的变形主导机制主要体现在晶界滑动和晶界增厚过程中，这些过程随着晶粒尺寸的减小而变得更加显著，最终在纳米尺度上占据主导地位。

研究还指出，CoCrFeNiMn高熵合金在无化学短程有序（CSRO）的情况下，表现出显著的逆Hall-Petch效应，即材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增加，但延展性则相应下降。而当存在CSRO时，这种效应被抑制，材料的性能趋于稳定。这一现象说明，化学短程有序在材料的力学行为中具有重要的调控作用，特别是在影响材料的强度-延展性平衡方面。

此外，研究还强调，当前关于Hall-Petch效应或逆Hall-Petch效应的研究，主要集中在单相或块状结构上，而对晶粒尺寸与其他相结构（如晶/非晶双相）之间的协同作用及其对纳米层状结构的影响，仍缺乏系统探讨。因此，本研究通过分子动力学模拟方法，不仅能够揭示晶粒尺寸和非晶层厚度对材料性能的影响，还为高熵合金纳米层状结构的设计和应用提供了理论指导。

在模拟模型构建方面，研究人员使用Atomsk软件结合Voronoi镶嵌规则，构建了具有FCC结构的CoCrFeNiMn多晶结构。随后，通过引入非晶层，形成了晶/非晶双相纳米层状结构。模拟过程中，研究人员重点分析了材料在拉伸过程中的微观结构演化和原子剪切应变的变化情况，以评估不同晶粒尺寸和非晶层厚度对材料力学行为的具体影响。

模拟结果表明，晶粒尺寸和非晶层厚度的变化对材料的力学性能具有显著影响。晶粒尺寸的减小会导致材料的杨氏模量和平均流动应力的变化，而非晶层厚度的增加则有助于提高材料的稳定性。在晶粒尺寸减小的情况下，晶界主导的塑性变形机制变得更为重要，而在非晶层中，均匀的STZs形成并发挥作用。这种变形机制的转变不仅影响材料的强度，还可能改变其延展性和断裂模式。

研究还发现，晶/非晶界面（CAIs）在协调材料的力学行为方面起到了关键作用。CAIs的存在不仅有助于限制晶界滑动和吸收位错，还在材料的塑性变形过程中起到重要的缓冲作用。这一发现表明，晶/非晶界面的设计和优化对于提高材料的综合性能具有重要意义。

在实验设计中，研究人员采用了两种不同的实验组别：第一组中，晶粒尺寸在晶粒部分发生变化，而非晶厚度保持恒定；第二组中，晶粒尺寸保持恒定，而非晶厚度发生变化。通过对比两组实验的结果，研究人员发现，晶粒尺寸和非晶厚度的变化对材料的性能影响具有明显的协同效应。例如，在第一组实验中，晶粒尺寸的减小导致材料的强度增加，但延展性下降，而在第二组实验中，非晶厚度的增加则有助于提高材料的稳定性，但对强度的影响相对较小。

研究还指出，CoCrFeNiMn高熵合金的晶粒尺寸减小至一定范围时，材料的强度和延展性表现出显著的逆Hall-Petch效应。这意味着，当晶粒尺寸减小到纳米尺度时，材料的强度会随着晶粒尺寸的减小而增加，但延展性则显著下降。这一现象与传统Hall-Petch效应相反，表明材料的变形机制在纳米尺度上发生了显著变化。

此外，研究还发现，非晶层的引入能够有效提高材料的强度和延展性。在某些情况下，非晶层的厚度增加会导致材料的平均流动应力更加稳定，同时，晶粒部分的FCC到HCP相变也对材料的性能产生重要影响。这些发现表明，晶粒尺寸和非晶体厚度的协同作用对于优化材料的力学性能具有重要意义。

综上所述，本研究通过分子动力学模拟方法，系统分析了晶粒尺寸和非晶层厚度对CoCrFeNiMn晶/非晶双相纳米层状结构的机械性能及塑性变形机制的影响。研究结果不仅揭示了材料在不同条件下的力学行为变化，还为高熵合金纳米层状结构的设计和应用提供了重要的理论依据。未来的研究可以进一步探索晶粒尺寸与其他相结构之间的协同作用，以及如何通过优化界面设计来提高材料的综合性能。