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导读:高熵合金(HEAs)有望提供有效的防弹能力,因为它们具有优异的机械性能。然而,与不含Mn的伙伴相比,孪晶活性Cantor合金的防弹性较差。目前尚不清楚HEA如何抵抗弹道冲击以及为什么Mn不利于弹道阻力。在此,作者使用分子动力学模拟来研究CrMnFeCoNi和CrFeCoNi的弹道阻力并阐明潜在的机制。结果表明,合金的弹道阻力主要受益于在较高应变率下产生的活性位错。更强的原子键合和更高的位错密度使CrFeCoNi更容易应变硬化并提高韧性以抵抗高速变形,而较弱的原子键合和更容易发生位错缠结使CrMnFeCoNi在弹道冲击下的抗破坏能力降低。这项工作有助于更好地了解HEA的反弹行为,并指导装甲和能量吸收材料的设计。


高熵合金(HEA)因其非常规的设计策略、独特的物理机制、优越的机械性能以及其他对工业或技术应用具有重要意义的特性而受到广泛关注。例如,AlCrFe2Ni2W0.2Mo0.75涂层因其良好的耐腐蚀性、高硬度和在磨损表面形成的反应产物,为海洋工程设备提供了极好的磨损保护。在Fe0.25Co0.25Ni0.25(B0.7Si0.3)0.25涂层中添加Nb极大地有利于合金的耐磨性,增强玻璃化形成能力。HEA的塑性变形机制被认为介于常规合金和非晶态金属之间或两者兼而有之。Cantor合金CrMnFeCoNi是具有代表性的HEA。这种HEA的机械性能对温度具有不同寻常的依赖性,表明其强度和延展性随着温度的降低而同时增加。CrMnFeCoNi在低温下的高强度被认为受益于主动变形纳米孪晶(TW),而平面滑移位错对其在室温下的塑性变形贡献更大。Cantor合金在低温和室温下的断裂韧性均超过200MPa·m1/2,明显优于传统合金。Cantor合金的断裂应变受高温下10-3~10s-1范围内的应变率影响很大,而其屈服强度对不同温度下的应变率不敏感。发现低温有利于CrMnFeCoNi的应变硬化,冷加工后观察到退火诱导的异常硬化,这归因于长程有序结构。


由于其优异的机械性能,特别是优异的应变硬化能力,高熵合金具有很大的用于防弹保护的潜力。然而,关于HEA在弹道防护中的应用或潜在应用的报道非常有限。在HEA的弹孔附近观察到位错和变形TW,并被认为是其防弹性能的原因。然而,对于HEA对弹道冲击的动态响应的原位观察缺乏或非常有限,无法进一步了解基础知识,并且化学成分对合金弹道性能的影响未包括在实验研究中。Geant?等人结合有限元模拟来研究HEA、AlxCrFeCoNiy对子弹撞击的动态响应。进行了子弹冲击测试,结果表明HEA的抗弹性很大程度上受其化学成分的影响。然而,这种模拟方法不能很好地揭示HEA的动态行为,因为数值方法是基于给定的机械性能。材料在各种高应变率下的动态力学行为的机制无法通过有限元模拟正确描述。实验结果表明,由于多种强化机制的组合,包括固溶体硬化、森林位错硬化和TW硬化,HEA的应变硬化能力可以在高应变速率下得到增强。Cantor合金CrMnFeCoNi被认为具有高抗弹道性,因为它具有高抗剪切局部化能力以及位错和变形TW的协同作用。非晶化被认为是一种额外的变形机制,它也有利于合金的强化和/或增韧。目前,文献中没有合适的信息来直接比较CrMnFeCoNi和其他实用材料的防弹道性能。然而,与用于装甲保护的传统合金和许多商业结构材料相比,Cantor合金表现出更高的应变能吸收能力,这对防弹性很重要。例如,Cantor合金的吸收应变能可以达到4340钢的6到10倍,用于军用车辆、高防护结构单元、武器装备等防护部件。

在此,加拿大阿尔伯塔大学的YUNQING TANG、D. Y. LI使用大规模原子/分子大规模并行模拟器 (LAMMPS) 代码进行MD模拟。据观察,与报道的在低应变率和低温下发生高度激活的变形TW不同,位错在两种HEA中起主要作用,以抵抗高应变率下的变形。两种HEA的弹道阻力都得益于它们在更高应变率下产生的更活跃的位错。相关研究成果以题“Dynamic response of high-entropy alloys to ballistic impact”发表在国际顶刊Science Advances上。

链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9096

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CrFeCoNi具有与CrMnFeCoNi相当的静态拉伸性能,在高应变速率下变形时表现出更高的强度和延展性。在台北未来科技展(2018年12月)上,台大杨志强带领的团队报告了他们的弹道冲击测试,直接表明无锰HEA比含锰HEA具有更好的抗弹道性(见图.1A)。因此,基于上述弹道冲击试验和CrMnFeCoNi的高应变能吸收能力,与许多商业结构材料相比,具有更高抗弹力的无锰HEA在装甲和相关应用方面比许多其他材料更有希望。实用材料。然而,人们对HEA对弹道冲击的响应知之甚少,也不清楚为什么CrMnFeCoNi中的Mn会削弱这种HEA的弹道阻力。了解弹道冲击条件下含锰和不含锰的高熵材料的变形机制以开发高性能反弹道高电子产品是本研究的驱动力。

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图1.CrFeCoNi和CrMnFeCoNiHEA板的弹道影响。

(A)CrFeCoNiMnx板在子弹冲击试验后的照片(由国立台湾大学的J.R.Yang提供):子弹速度,~840m/s;样品厚度,1厘米。(B)弹道冲击模拟系统示意图;刚体(模拟子弹)的初始速度为25nm/ps。(C)弹道撞击后两个厚度为2.29nm的HEA板。(D)在弹道撞击期间(比例尺,2nm)不同时刻(0.5、2和10ps)厚度为6.04nm的HEA板截面图的原子快照。绿色原子在FCC结构中,红色原子在堆垛层错(HCP结构)中,蓝色原子在BCC结构中,白色原子在无序结构中。(E)刚性球体在两个厚度为6.04nm的HEA板中的穿透深度与时间的关系。(F)10ps时两个HEA板中堆垛层错和TW边界(TB)的分布。(G)10ps时两个HEA板中的位错分布。无锰和含锰HEA的位错线长度分别为1669.9和984.101nm。

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图2温度和应变速率对CrMnFeCoNi和CrFeCoNi变形抗力的影响。

(A)两种HEA在低温、室温和更高温度下不同堆垛层错的SFE。(B)两种HEA在不同应变率下的低温应力-应变曲线。变形TW最初出现的时刻在应力-应变曲线上用蓝色圆圈标记。

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图3室温下应变速率分别为5×10

、5×10

和5×10

的模拟单轴拉伸试验中CrMnFeCoNi和CrFeCoNi的应力-应变关系和位错过程。

(A)两种HEA在不同应变率下的应力-应变曲线。(B)HEA中的位错密度随着应变的增加而变化。(C)在不同应变率下应变0.1的HEA中的位错分布。绿色位错:1/6<112>(Shockley),紫色位错:1/6<110>(Stair-rod)。(D和E)CrFeCoNi和CrMnFeCoNi中不同类型位错的数量分别应变0.1。(F)CrMnFeCoNi和CrFeCoNi在不同应变率下应变0.1的截面图的原子快照。

综上所述,进行了MD模拟以研究Cantor合金(CrMnFeCoNi)及其无锰合金(CrFeCoNi)的抗弹道性,并阐明相应的潜在机制。弹道冲击模拟再现了报告的实验弹道冲击测试,表明无锰HEA比含锰HEA更耐弹道侵蚀。与含Mn的HEA相比,无Mn的HEA以更小的穿透深度阻挡了高速喷射的球体,并保持了更好的结构完整性。结构分析表明,平面滑移位错在不含Mn的HEA板中比在含Mn板中更活跃,其中在整个含Mn板中发现结构受损区域。此外,对于两个HEA,非晶化也有助于球体撞击HEA板时的冲击能量吸收。对单轴拉伸试验进行了模拟,以了解两种HEA对高速变形的抵抗机制。据观察,与报道的在低应变率和低温下发生高度激活的变形TW不同,位错在两种HEA中起主要作用,以抵抗高应变率下的变形。

两种HEA的弹道阻力都得益于它们在更高应变率下产生的更活跃的位错。无锰HEA在高速变形过程中表现出更好的应变硬化能力和更高的韧性,这归因于其更强的原子间键合和更低的层错能,有助于诱导更活跃的位错,从而提高抗弹道性,而位错缠结被发现当施加更高的应变速率时,在含Mn的HEA中较早发生,但由于Mn的存在,其较弱的原子键合使得CrMnFeCoNi的结构完整性更容易被弹道冲击破坏。除了变形TW、非晶化、位错和固溶强化等机制外,原子键合强度是影响HEA韧性的基本参数,例如,在合金体系(CrFeCoNi)中添加低EWF元素(Mn)削弱了整体金属结合强度,导致合金吸收应变变形能的能力降低。基于所获得的结果,与CrMnFeCoNi相比,CrFeCoNi表现出更高的能量吸收能力,因此更有希望用于防弹保护。在设计装甲和能量吸收HEA及相关材料时,除了塑性变形机制外,还需要充分注意原子键合强度的改变。

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