一种析出相硬化高熵合金强度计算方法技术

本发明专利技术涉及一种析出相硬化高熵合金强度计算方法。有效地结合晶格畸变理论、晶界强化理论、位错强化理论以及考虑析出相尺寸分布和空间分布的析出相强化理论，建立相关的强度分析理论模型。其中考虑了晶格畸变、晶界、位错、析出相及其尺寸分布和空间分布对析出相硬化高熵合金性能的影响，来实现对析出相硬化高熵合金强度的定量计算与分析。通过本发明专利技术所提出的计算方法获得的强度与实验结果吻合较好。本发明专利技术中分析的相关强化机理，对研究并分析不同微观条件下析出相硬化高熵合金的力学性能具有重要意义。通过本发明专利技术提出的分析方法，调控合金的元素含量，改变析出相半径和体积分数，研究析出相对析出相硬化高熵合金强度的影响，从而为高性能析出相硬化高熵合金的设计提供理论指导。理论指导。理论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种析出相硬化高熵合金强度计算方法


[0001]本专利技术涉及析出相硬化高熵合金强度计算领域，具体涉及晶格畸变理论、晶界强化理论、位错强化理论以及析出相强化理论，建立理论模型考虑析出相的尺寸分布和空间分布，实现对析出相硬化高熵合金强度的分析。

技术介绍

[0002]高熵合金作为一种具有高强度、优异的结构稳定性和耐腐蚀性的合金，在过去十年中受到了极大的关注。与传统的二元和三元合金不同，高熵合金由五种或五种以上元素以几乎等原子比的方式组成。为了进一步提高高熵合金的强度，再其中生成析出相成为了近几年的研究热点。最近的研究结果表明，在FeCoNi基和FeCoCrNi基高熵合金中添加Ti和Al元素会导致基体中出现球形析出相，从而提高了高熵合金的屈服强度。从先前的实验可知，与传统FeCoNi基和FeCoCrNi基高熵合金相比，析出相硬化的FeCoNi基和FeCoCrNi基高熵合金具有优异的性能，故被选为本专利技术的研究材料。
[0003]到目前为止，考虑高熵合金析出相尺寸分布和空间分布的理论模型尚未建立。此外，也没有统一的理论公式用于量化各强化机制对析出相硬化高熵合金强度的贡献。本专利技术提出的析出相强化公式基于析出相尺寸的正太分布，以及析出相在基体中的实际空间分布情况，提出了准确分析析出相硬化中高熵合金中析出相强化的有效方法。本专利技术基于实验和理论分析结果，分析析出相的强化机理，建立相关的析出相强化理论模型，对研究析出相尺寸分布和空间分布对高熵合金析出相强化的影响，和分析各强化机制对析出相硬化高熵合金的贡献具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是基于实验数据结合晶格畸变理论、晶界强化理论、位错强化理论和考虑尺寸分布和空间分布的析出相强化理论，提出析出相硬化高熵合金强度定量计算与分析方法。本专利技术在考虑析出相硬化高熵合金的析出相强化模型，实现析出相硬化高熵合金的强度定量分析的同时，可以调控析出相尺寸和体积分数，得到特定条件下析出相硬化高熵合金的析出相强度，对性能更优异的析出相硬化高熵合金设计提供指导。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]确定所用高熵合金的材料参数，包括元素物理参数的相关参数。本专利技术采用的材料是FeCoCrNiTiAl和FeCoNiTiAl高熵合金，材料参数如表1所示：
[0007]表1各元素的物理参数。
[0008][0009]依据晶格畸变理论，结合Vegard定律，高熵合金中的晶格摩擦应力σ
Lattice
可表示
为
[0010][0011]n是高熵合金中的元素种类数量，c
i
是元素i的浓度，为高熵合金中第i种元素对整体晶格摩擦应力的单独贡献值，
[0012][0013]其中A为与加工工艺相关、与材料相关的无量纲参数，高熵合金的剪切模量为另外失配参数δmp
i
可以表示为：
[0014][0015]对于FCC高熵合金，ξ＝1。β的值取决于位错类型，螺位错主导时β＝3，刃位错主导时则β＝16。假设五元高熵合金ijklm由四元基体jklm和混合元素i组成，则混合元素i尺寸在高熵合金ijklm中的尺寸失配δr
i,ijklm
和模量失配δG
i,ijklm
如下式表示，
[0016][0017][0018]和分别为高熵合金ijklm的平均尺寸失配和平均模量失配，和分别为基体jklm的平均尺寸失配和平均模量失配。
[0019][0020][0021]δr
ij
和δG
ij
分别表示原子i和原子j之间的尺寸失配和模量失配。
[0022]δr
ij
＝2(r
i
‑
r
j
)/(r
i
+r
j
)
ꢀꢀ
(8)
[0023]δG
ij
＝2(G
i
‑
G
j
)/(G
i
+G
j
)
ꢀꢀ
(9)
[0024]通过以上推导可以最终获得晶格畸变强化
[0025]基于Hall
‑
Petch公式，晶界强化σ
grain
可以表示为：
[0026][0027]k
HP
为Hall
‑
Petch参数，d
g
为晶粒尺寸。
[0028]通过以上公式可以最终获得晶界强化
[0029]基于经典的位错强化理论，高熵合金中的位错强化σ
dislocation
可表示为：
[0030][0031]其中M是泰勒因子，α是经验常数。b是Burgers矢量，ρ是晶粒中的位错。
[0032][0033]假设初始位错密度ρ0＝2
×
108m
‑2，dt为时间步长，为每个时间步长下的位错密度。
[0034][0035]ε
p
是塑性应变，ψ是比例因子,k
20
是动态恢复常数,ε
′
p,equ
是等效塑性应变率,ε0′
是参考应变率,m1是动态恢复常数。
[0036][0037]σ
Mises
是Mises等效应力，σ
flow
是流动应力，速率敏感指数m0＝20。
[0038][0039]其中σ
d
是偏应力，可以表示为：
[0040]σ
d
＝σ
d
′
dt
ꢀꢀ
(16)
[0041]σ
d
′
是偏应力率，可由下式计算：
[0042][0043]其中σ
Cauchy
′
是Cauchy应力率，可表示为：
[0044][0045]σ
sph
′
是球应力率，可表示为：
[0046][0047]其中σ
x
′
、σ
y
′
、σ
z
′
可由下式计算Cauchy应力率σ
′
获得：
[0048][0049]其中C是刚度矩阵，ε
Cauchy
′
是Cauchy应变率，ε
C
′
可以表示为：
[0050]ε
Cauchy
′
＝(S
11 S
12 S
12 0 0 0)
T
ε
e
′
/S
11
ꢀꢀ
(21)
[0051]S是柔度矩阵，且S＝C
‑1,ε
e
′
是弹性应变率，ε
e
′
是由应变率ε
′...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种析出相硬化高熵合金强度计算方法，结合晶格畸变理论、晶界强化理论、位错强化理论和考虑尺寸分布和空间分布的析出相强化理论建立强度分析模型，特征在于：考虑了析出相硬化高熵合金中晶格畸变、晶界、位错和析出相的强化作用。材料中的晶格畸变、晶界、位错通常是在加工或拉伸过程中产生，析出相是在加工过程中产生；通过分析各强化机制的贡献实现对析出相硬化高熵合金强度的计算分析，同时可以通过调控析出相尺寸和析出相体积分数，得到特定条件下析出相硬化高熵合金屈服强度，对性能更优异的析出相硬化高熵合金设计提供指导。2.根据权利要求1所述的一种析出相硬化高熵合金强度计算方法，其特征在于利用材料中元素的固有参数和已有的实验数据对所涉及的强化模型中的四项强化机制进行准确计算。3.根据权利要求1
‑
2任一项所述的使用方法，所述处理方法具体步骤如下：确定模型中需要的基本材料参数，收集相关材料的相关物理参数。计算晶格畸变理论、晶界强化理论、位错强化理论和析出相强化各强化机制所贡献的强度大小。将四项强化机制进行耦合处理，可以获得析出相硬化高熵合金的强度，σ
Strength
＝σ
Lattice
+σ
Grain
+σ
Dislocation
+σ
Precipitate
其中σ
Lattice
是晶格摩擦应力，σ
Grain
是晶界强化，σ
Dislocation
是位错强化，σ
Precipitate
是析出相强化。分析处理理论计算结果。4.根据权利要求3所述，计算晶格畸变对强度的贡献，其特征在于，各主元元素之间原子半径和剪切模量差异；本发明采用的材料是FeCoCrNiTiAl高熵合金和FeCoNiTiAl高熵合金，材料参数如表1所示，表1中所述的参数均为室温情况。表1各元素的物理参数。表1各元素的物理参数。根据Vegard法则可知，高熵合金的晶格摩擦应力由合金中每一种元素单独作用叠加而成：n是元素种类数量，c
i
是i元素浓度，为析出相硬化高熵合金中第i种元素对整体屈服强度的单独贡献值。5.根据权利要求3所述，特征在于，晶界阻碍位错运动从而导致材料强度的提升；基于Hall
‑
Petch公式，高熵合金中的晶界强化可以表示为：H为Hall
‑
Petch参数，d
g
为晶粒尺寸。
6.根据权利要求3所述，特征在于，位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了材料强度，基于经典的位错强化理论，高熵合金中的位错强化可表示为：其中M是泰勒因子，α是经验常数。b是博格斯矢量，并且由晶格参数确定，对于FCC晶格对于BCC晶格ρ是晶粒中的位错。假设初始位错密度ρ0＝2
×
108m
‑2，dt为时间步长，为每个时间步长下的位错密度。ε
p
是塑性应变，ψ是比例因子,k
20
是动态恢复常数,是等效塑性应变率,ε0′
是参考应变率,m是动态恢复常数。7.根据权利要求3所述，特征在于，析出相通过阻碍位错运动对材料力学性质同样有强化作用，析出相强化的主要机制为切过强化机制和Orowan绕过强化机制；切过强化机制σ
Shear
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李甲，任思危，方棋洪，冯慧，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：