[发明专利]高强韧高熵合金的设计方法

说明书

本发明公开了一种高强韧高熵合金的设计方法。所述方法包括：(1)构建四元等原子比面心立方结构的高熵合金的特殊准无序固溶体结构；(2)在不同体积下进行结构优化，得到平衡体积和平衡能量，并对平衡体积下的晶体的不同晶向施加弹性范围内的应变，计算应变下晶体的能量；(3)计算高熵合金的晶格常数、体积模量和单晶弹性常数，进一步得到柏氏矢量、切变模量、杨氏模量、泊松比；(4)基于上述性质，计算一系列高熵合金的屈服强度、塑性相关的Pugh比、硬度、断裂韧性等力学性能。本发明通过计算一系列高熵合金的力学性能，预测高熵合金的强度和韧性，具有准确率高、计算效率高、适用范围广等优点。

技术领域

本发明属于高熵合金领域，涉及一种高强韧高熵合金的设计方法。

背景技术

高熵合金独特的合金设计理念和显著的四大核心效应（包括热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的缓慢扩散效应、性能上的“鸡尾酒”效应），不仅有望突破传统金属结构材料强度-塑性难以兼顾的桎梏，还具有良好的热稳定性、抗辐照性能、高硬度、断裂韧性大、抗氧化、耐磨耐腐蚀性能等优点，具有巨大的应用潜力，有望用于高温合金、硬质合金、耐热和耐磨涂层等领域。

目前高熵合金领域的研究主要集中在实验手段上，基于已有的高熵合金成分，改变主元元素的浓度或替换合金元素，来制备新型高熵合金。然而，由于组元多和浓度变化范围大，高熵合金具有巨大的成分调控空间。并且实验上制备高熵合金依然比较困难，成品率低，难以大规模制备。通过传统合金研究的“试错法”难以全面综合地研究高熵合金的成分和性能，因而借助第一性原理工具来辅助实验手段进行高熵合金的成分设计和性能预测是很有必要的。

文献[npj Computational Materials 5, 14(2019)]基于经典的固溶强化模型，不依赖于任何经验参数和实验参数，可以用于预测高熵合金的屈服强度。利用密度泛函理论（DFT）计算出模型所需要的材料基本性质，然后通过固溶强化理论模型准确地预测出任意合金（包括高熵合金）的屈服强度。DFT计算的物理量包括随机合金中各元素的平均错配体积、合金晶格常数、弹性常数。该方法预测的六元贵金属高熵合金RhIrPdPtNiCu的屈服强度583 MPa与实验测得的强度527 MPa相当接近。这种在没有任何实验输入的情况下，所建立的合金成分与屈服强度之间的定量联系，可以用于探索新的、有潜力的、高强度高熵合金，并为高强度合金的“计算指导设计”提供了重要途径。然而，仅仅通过屈服强度不足以说明高熵合金的综合力学性能，高熵合金的塑性、硬度、断裂韧性都非常重要，因此当前用于预测高熵合金的力学性能的技术手段存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强韧高熵合金的设计方法。该方法以第一性原理为研究方法，结合材料力学和固溶强化理论，计算四元等原子比高熵合金的结构和弹性性质，并预测高熵合金包括强度、塑性、硬度、韧性的综合力学性能，进一步地设计具有高强度和高韧性的面心立方结构高熵合金。

实现本发明目的的技术方案如下：

高强韧高熵合金的设计方法，包括以下步骤：

（1）根据Materials project数据库，基于简单的面心立方结构(FCC)的周期性和原子坐标，从ATAT软件中构建2×2×2 FCC高熵合金的特殊的准无序结构模型（SQS），通过等比例置换合金元素，得到不同元素组合的四元合金模型，根据高熵合金经典描述符，包括热力学与结构性质，判断四元合金能否形成稳定的单相FCC固溶体；了解元素的晶体结构和基本性质，并根据高熵合金经典描述符，判断四元合金能否形成稳定的单相FCC固溶体；

（2）对于能够形成稳定的单相FCC固溶体的四元合金，改变其高熵合金模型的晶格常数，用VASP软件计算一系列晶格常数下对应的基态能量，用BM状态方程对不同晶格常数下模型的体积-能量关系进行拟合，得到高熵合金的平衡晶格常数a、平衡体积V、平衡能量以及体积模量B；