摘要： 鑒于高熵合金材料（high-entropy alloy， HEA）在高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)響應(yīng)下呈現(xiàn)不同的破壞模式及力學(xué)性能，其潛在機(jī)理從宏觀角度已不能夠完全解釋?zhuān)鑿奈⒂^角度研究其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的原子結(jié)構(gòu)變化、位錯(cuò)分布變化、演變機(jī)理及變形機(jī)制，為優(yōu)化HEA 防護(hù)材料的加工工藝、制備方法等提供參考。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，設(shè)計(jì)了[100]、[110] 和[111] 等3 種取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金在不同應(yīng)變率下的壓縮、拉伸及沖擊試驗(yàn)，分析了動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中原子結(jié)構(gòu)變化、位錯(cuò)分布變化、演變機(jī)理及變形機(jī)制。壓縮試驗(yàn)中：[110] 取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的屈服強(qiáng)度最高，[111] 的次之，[100] 的最低；[100] 取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金主要的變形機(jī)制為孿晶變形，[110] 的為滑移變形， [111] 的為位錯(cuò)變形。拉伸試驗(yàn)中： [111] 取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的屈服強(qiáng)度最高， [100] 的次之，[110] 的最低；[100] 取向結(jié)構(gòu)Al0.3CoCrFeNi 高熵合金拉伸過(guò)程中孿晶結(jié)構(gòu)較多，[110] 取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金產(chǎn)生較規(guī)則的密排六方結(jié)構(gòu)滑移面，[111] 取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金不會(huì)產(chǎn)生任何滑移面。隨著應(yīng)變率的升高， 3 種取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金壓縮和拉伸屈服強(qiáng)度均大幅度提高，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量增大。較低應(yīng)變率（1×109 s?1）下的塑性變形機(jī)制主要為滑移變形，但滑移系較少；中應(yīng)變率（1×1010 s?1）下的塑性變形機(jī)制是以滑移為主的變形機(jī)制， 但滑移系較多； 高應(yīng)變率（ 1×1011 s?1） 下的塑性變形機(jī)制是由原子排列無(wú)序化的非晶原子誘導(dǎo)的變形。[110] 取向結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金的抗沖擊性能最好，與其具有最高的屈服強(qiáng)度，并且在屈服結(jié)束階段也能保持最高的應(yīng)力有關(guān)。

關(guān)鍵詞： 晶體取向；高熵合金；變形機(jī)制；微觀演變；分子動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)： O347.3 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13015 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

金屬材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能一直是沖擊防護(hù)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，廣泛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究[1-5] 表明，金屬材料在不同應(yīng)變率下產(chǎn)生的破壞模式具有明顯的區(qū)別[3-4， 6-8]，且金屬材料的屈服強(qiáng)度及應(yīng)變硬化具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)[9-11]。

大量研究結(jié)果揭示了金屬動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，探索了一系列高應(yīng)變率加載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律，但并不能從內(nèi)在本質(zhì)上解釋產(chǎn)生這種規(guī)律的原因及潛在的機(jī)理，特別是對(duì)金屬材料在高應(yīng)變率加載作用下所產(chǎn)生的不同破壞模式及力學(xué)性能的機(jī)理研究不足，這對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及材料的研究帶來(lái)了巨大的阻礙[12]。以上差異現(xiàn)象形成的原因從宏觀角度已不能夠完全解釋?zhuān)虼耍鑿奈⒂^角度研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的原子結(jié)構(gòu)變化、位錯(cuò)分布變化、演變機(jī)理及變形機(jī)制，從而揭示高應(yīng)變率加載作用下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的潛在機(jī)理。

目前，對(duì)金屬材料在高應(yīng)變率加載作用下的微觀結(jié)構(gòu)演化及變形機(jī)制還未清晰，造成相關(guān)研究較少的主要原因是缺乏對(duì)高應(yīng)變率加載作用下材料微觀變形的表征手段，不能夠?qū)Ω邞?yīng)變率下材料微觀變形的全過(guò)程進(jìn)行分析。分子動(dòng)力學(xué)作為一種微觀尺度模擬手段，廣泛應(yīng)用于金屬材料微觀力學(xué)性能和缺陷演化行為的研究，可從微觀的角度分析變形過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變、能量和缺陷的變化趨勢(shì)，探討材料的屈服和斷裂機(jī)制[13-15]。因此，可采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中微觀原子結(jié)構(gòu)變化、位錯(cuò)分布變化、演變機(jī)理及變形機(jī)制的研究。

高熵合金（high-entropy alloy， HEA）[16-17] 的組成成分與傳統(tǒng)合金材料不同，通常含有5 種或更多種主元素，每種元素的物質(zhì)的量濃度相近，并表現(xiàn)出高構(gòu)型熵。由于成分復(fù)雜，HEA 表現(xiàn)出4 種核心效應(yīng)，包括高熵、嚴(yán)重晶格畸變、緩慢擴(kuò)散和雞尾酒效應(yīng)[18]。大量試驗(yàn)研究[19-25] 表明，HEA 具有優(yōu)異的機(jī)械性能，如高強(qiáng)度、良好的延展性和優(yōu)異的斷裂韌性，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，特別是優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力，HEA 在彈道防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大[26]。最經(jīng)典的高熵合金材料Al0.3CoCrFeNi，其組成結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能已被廣泛研究[27-33]，Diao 等[28]、Kireeva 等[29] 和Yasuda 等[31] 研究發(fā)現(xiàn)，相同Al0.3CoCrFeNi 高熵合金材料的力學(xué)性能并不完全一致，例如拉伸屈服應(yīng)力和拉伸量等有所差異。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是Al0.3CoCrFeNi高熵合金微觀組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多種取向結(jié)構(gòu)的原子晶體結(jié)構(gòu)組成。各研究中制備工藝有較大差異，導(dǎo)致所獲得的Al0.3CoCrFeNi 高熵合金由多種復(fù)雜晶體取向的單晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成[34-37]，而以上研究并未對(duì)不同晶體取向結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行深入研究。并且，現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)動(dòng)態(tài)沖擊及加載會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的三維空間變化狀態(tài)，使得應(yīng)力及變形分析變得困難或不可能。通過(guò)對(duì)HEA 材料進(jìn)行原子級(jí)的單晶小尺度模擬研究（位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)或晶體塑性模型等），可揭示真實(shí)的變形機(jī)制，并從低維尺度向高維尺度提供研究基礎(chǔ)[38]。因此，研究單晶的力學(xué)特性，可揭示復(fù)雜多晶的變形機(jī)制，為宏觀模型多維度分析提供指導(dǎo)。

對(duì)于單質(zhì)的不同取向的研究開(kāi)展得較早，且相對(duì)廣泛。Huang 等[39] 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了[110]、[100] 及[111] 等3 種晶體取向?qū)尉e 力學(xué)性能和微觀形變的影響。Zhang 等[40] 對(duì)沿[001] 和[110] 方向取向的Fe 納米柱在300 K 的恒溫條件下進(jìn)行了拉伸模擬試驗(yàn)，結(jié)果顯示，2 種不同取向的Fe 納米柱的拉伸變形機(jī)制不同。Dash 等[41] 研究評(píng)估了單晶Ta 沿[100]、[110] 和[111] 等3 個(gè)晶體取向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和屈服強(qiáng)度的變化，并分析了應(yīng)變硬化能力，揭示了材料在高速?zèng)_擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)行為。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)化合物的研究也相繼展開(kāi)。Islam 等[42] 研究了[100]、[110] 和[111] 等3 種不同晶體取向結(jié)構(gòu)的閃鋅礦（ZnTe）的力學(xué)性能和斷裂機(jī)制，[110] 取向的ZnTe 在高應(yīng)變率下發(fā)生異常變形，出現(xiàn)了不尋常的短程和長(zhǎng)程有序晶體結(jié)構(gòu)，具有明顯的應(yīng)變率敏感性。Xu 等[43] 研究了晶體取向（[100]、[110] 和[111]）對(duì)單晶尖晶石（MgAl2O4）納米線拉伸變形力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)MgAl2O4 的彈性模量和極限抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能明顯依賴(lài)于晶體取向。隨著新型材料高熵合金的發(fā)展，關(guān)于其相關(guān)的研究目前在快速發(fā)展[9， 12， 34-37， 44]，對(duì)于晶體取向影響的探索也在全面展開(kāi)。Qi 等[45] 利用納米壓痕技術(shù)研究了[001]、[110] 和[111] 等3 種晶體取向?qū)oCrFeMnNi 高熵合金的力學(xué)響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響。Zhang 等[46] 在3 個(gè)取向（ [100]、[110] 和[111]）上對(duì)單晶體心立方（ body-centered cubic， BCC）AlCrFeCoNi 納米柱進(jìn)行了原位單軸壓縮，發(fā)現(xiàn)其位錯(cuò)機(jī)制依賴(lài)于納米柱的晶體取向。

目前，針對(duì)不同取向結(jié)構(gòu)對(duì)Al0.3CoCrFeNi 高熵合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響還缺乏系統(tǒng)的研究。因此，為深入了解Al0.3CoCrFeNi 高熵合金在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的微觀演變過(guò)程，迫切需對(duì)其單一取向晶體結(jié)構(gòu)的納米柱進(jìn)行高應(yīng)變率加載下的力學(xué)性能研究，以便探索其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

本文中，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，針對(duì)Al0.3CoCrFeNi 高熵合金，設(shè)計(jì)[100]、[110] 和[111] 等3 種不同取向結(jié)構(gòu)的納米柱，對(duì)該納米柱進(jìn)行不同應(yīng)變率的壓縮、拉伸及沖擊試驗(yàn)，分析動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中原子結(jié)構(gòu)變化、位錯(cuò)分布變化、演變機(jī)理及變形機(jī)制，探討影響其性能變化的微觀機(jī)理，以期為優(yōu)化高熵合金防護(hù)材料的加工工藝、制備方法等提供參考。