高熵合金

合金至少會以下三種中的一種:元素形成的單一相固態(tài)溶液,許多金屬相形成的混合物,金屬形成的金屬互化物。固態(tài)溶液的合金其微結(jié)構(gòu)有單一相,部分為溶液的合金則是有二相或二相以上,其分布可能是勻相,也可能不是勻相,依材料冷卻過程的溫度變化而定。金屬互化物一般會有一種合金或純金屬包在另一種純金屬內(nèi)。
由于合金一些特性比純金屬元素要好,因此會用在特定的應(yīng)用中。合金的例子包括鋼、焊料、黃銅、白镴、磷青銅及汞齊等。
合金的成分一般是以質(zhì)量比例來計算。合金依其原子組成的方式,可以區(qū)分為替代合金或間質(zhì)合金,又可以進一步區(qū)分為勻相(只有一相)、非勻相(不止一相)及金屬互化物(兩相之間沒有明顯的邊界)。
固溶體(SS)相的吉布斯能表示為Gss=Hss-7(Sss).在理想熔液中Hss=0,但是實際上Hss通常含有較小的值.當(dāng)Hss>0時,非隨機分布的原子呈現(xiàn)相分離的趨勢; 當(dāng)Hss<>HEA合金中最穩(wěn)定的溶液出現(xiàn)在等摩爾組分中,但對于亞常規(guī)溶液來說卻不一定.考慮常規(guī)(圖1a)和亞常規(guī)(圖1b)固溶體的代表性熱力學(xué)函數(shù).圖1a中最穩(wěn)定的組合物是等摩爾組合物,但在圖1b中它是XB=0.55.Hss曲線中的不對稱程度較小,也更明顯.分析表明HS中的最小值,可以出現(xiàn)在XB=0.50±0.10范圍內(nèi).由于亞常規(guī)溶液最常見的,因此最穩(wěn)定的固體溶液通常可從等摩爾組合物中置換出來。
2、金屬間相的熵和焓
金屬間相(IM)的吉布斯能GIM=HIM-TSIM,其中HIM和SIM是IM相的摩爾生成焓和熵.SS 和IM相的結(jié)構(gòu)不同,因此相同成分和結(jié)構(gòu)的熵值也是不同.圖2是SS和IM晶體結(jié)構(gòu)示意圖.由圖2可知,IM相的熵值很小,每個晶格只有一個元素,但是多主元合金的一個晶格位點,通常是多種元素隨機分布,顯著增加了熵值。
高熵效應(yīng)是HEA的標(biāo)志性概念.比較理想的形成熵與純金屬的焓(選定IM化合物的形成焓)可以得知,在具有5個或更多元素的近等摩爾合金中,其更有利于形成SS相而不是IM化合物.這時不考慮特殊組合,僅熵和焓的高低來分析常規(guī)的SS相和IM相.熵值也只考慮生成熵.雖然振動、電子和磁性也影響其熵值,但是最主要的因素仍然是合金的結(jié)構(gòu).
2、晶格畸變
嚴(yán)重的晶格畸變是因為高熵相中的不同原子尺寸導(dǎo)致的.每個晶格位置的位移,取決于占據(jù)該位置的原子和局部環(huán)境中的原子類型.這些畸變比傳統(tǒng)合金嚴(yán)重的多.這些變原子位置的不確定性導(dǎo)致合金的形成焓較高.雖然在物理上,這可以降低X射線衍射峰的強度,增加硬度,降低電導(dǎo)率,降低合金的溫度依賴性.但是,仍然缺少系統(tǒng)的實驗來定量描述這些性能的變化值是多少.例如,組成原子之間的剪切模量不匹配,也可能有助于硬化;局部鍵的變化也可能改變電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和相關(guān)的電子結(jié)構(gòu).
3、緩慢的擴散特點
在HAs中,擴散是緩慢的.這可以在納米晶和非晶合金的形成和其顯微結(jié)構(gòu)中觀察到.
4、"雞尾酒"效應(yīng)
首次"雞尾酒"效應(yīng)是S.Ranganathan教授使用的短語.最初的意圖是"一種愉快,愉快的混合物".后來,它意味著一種協(xié)同混合物,最終結(jié)果是不可預(yù)測,且大于各部分的總和.這個短語描述了三種不同的合金類別;大塊金屬玻璃、超彈性和超塑性金屬以及HEAs.這些合金都是多主元素合金."雞尾酒"效應(yīng)表征了無定形大塊金屬玻璃的結(jié)構(gòu)和功能特性.
與其他"核心效應(yīng)"不同, "雞尾酒"效應(yīng)不是假設(shè),也不需要證明."雞尾酒效應(yīng)"的意思是特殊的材料特性,通常源于意想不到的協(xié)同作用.其他材料也可以這樣描述,包括物理性質(zhì),例如接近零的熱膨脹系數(shù)或催化響應(yīng);功能特性,如熱電響應(yīng)或光電轉(zhuǎn)換、有超高強度,良好的斷裂韌性;抗疲勞性或延展性等結(jié)構(gòu)特性.文時材料的性質(zhì)主要依賴材料成分,微觀結(jié)構(gòu),電子結(jié)構(gòu)和其他特征."雞尾酒"效應(yīng)揭示MPEAs的多元素組成和特殊的微觀結(jié)構(gòu),進而產(chǎn)生非線性的意外結(jié)果.
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