内容简介
《高熵合金及其性能》内容主要包括高熵合金的相形成、力学性能、腐蚀和磨损、锯齿流变行为、辐照硬化行为、磁性能、功能特性等以及共晶成分设计、低维设计等，客观地介绍了高熵合金的基础理论知识、发展状况以及潜在应用价值。
目录
目录
第1章 高熵合金的发现与发展 1
1.1 高熵合金的定义 2
1.2 高熵合金的四大效应 5
1.3 高熵合金研究在中国的起源 12
1.4 高熵合金的性能研究现状 15
参考文献 25
第2章 面心立方高熵合金的轧制织构演化及其力学性能 28
2.1 轧制量对AlxCoCrFeNi高熵合金显微结构与力学性能的影响 29
2.2 轧制对CoCrFeNiMn高熵合金显微结构与力学性能的影响 44
2.3 冷轧对MnFeCoNiCu高熵合金显微结构与力学性能的影响 47
2.4 本章小结 50
参考文献 50
第3章 高熵合金的动态力学性能 53
3.1 高熵合金的介绍 53
3.2 高熵合金的实验方法 57
3.3 高熵合金动力学行为的理论模型 59
3.4 高熵合金的动态拉伸性能 62
3.5 高熵合金的动态压缩性能 65
3.6 高熵合金的动态剪切行为 66
3.7 高熵合金在弹道冲击下的力学行为 68
3.8 高熵合金在平板冲击下的层裂损伤 71
参考文献 75
第4章 高熵合金的锯齿流变行为 78
4.1 引言 78
4.2 锯齿流变行为的定义及分类 78
4.3 锯齿流变行为的理论基础 79
4.4 研究锯齿流变行为的实验方法 86
4.5 锯齿流变的特征参数研究 88
4.6 锯齿流变的数学方法 98
4.7 高熵合金锯齿流变行为的研究前景及意义 101
参考文献 102
第5章 纳米压痕测试技术在高熵合金中的应用 104
5.1 纳米压痕测试技术 104
5.2 压入硬度 104
5.3 压痕尺寸效应 108
5.4 弹塑性转变－初始塑性 110
5.5 蠕变性能 118
5.6 断裂韧性 119
5.7 展望 121
参考文献 121
第6章 共晶高熵合金 125
6.1 共晶高熵合金的优势 125
6.2 设计方法 127
6.3 组织结构 131
6.4 力学性能与强化机制 133
6.5 共晶的屈服本构模型 136
6.6 热机械处理性能 139
6.7 共晶的单纯热处理性能 139
6.8 共晶高熵合金展望 140
参考文献 141
第7章 无钴高熵合金及其力学性能 144
7.1 无钴高熵合金的特征 144
7.2 无钴高熵合金的组织结构 145
7.3 无钴高熵合金的准静态力学性能 151
7.4 无钴高熵合金的动态力学性能 157
7.5 无钴高熵合金的其他性能 158
7.6 无钴高熵合金的发展趋势 159
参考文献 159
第8章 高熵合金的表面改性及摩擦学行为 165
8.1 摩擦磨损简述 165
8.2 高熵合金的摩擦磨损 168
高熵合金及其性能
8.3 展望 212
参考文献 213
第9章 高熵合金的腐蚀特性 219
9.1 高熵合金*特的腐蚀机制 219
9.2 高熵合金腐蚀性能的影响因素 226
9.3 高熵合金耐蚀性的决定因素分析 231
9.4 高熵合金耐蚀性能比较 238
9.5 高熵合金耐蚀性的未来展望 241
参考文献 241
第10章 高熵合金的磁性能 244
10.1 CoFeNi及CoFeNi-X高熵合金 244
10.2 CoFeNiAl-X高熵合金 246
10.3 CoFeNiCr-X和CoFeNiMn-X高熵合金 251
10.4 其他CoFeNi基高熵合金 254
10.5 其他体系的高熵合金 256
参考文献 258
第11章 低维度高熵材料———高熵薄膜和高熵纤维 262
11.1 引言 262
11.2 一维高熵合金———高熵纤维 262
11.3 二维高熵合金———高熵薄膜 270
参考文献 273
第12章 高熵合金的Bridgman定向凝固 276
12.1 定向凝固技术 276
12.2 Bridgman定向凝固法 278
12.3 Bridgman定向凝固法在高熵合金中的应用与研究 279
12.4 总结和展望 286
参考文献 287
第13章 高熵合金的抗辐照性能 290
13.1 引言 290
13.2 高熵合金抗辐照性能研究初衷 290
13.3 高熵合金的抗辐照性能 292
13.4 难熔高熵合金的辐照力学性能 299
13.5 高熵合金抗辐照材料的未来展望 320
参考文献 321
第14章 高熵合金的功能特性 325
14.1 引言 325
14.2 电学性能 325
14.3 磁学功能 331
14.4 热学功能 335
14.5 化学功能 339
14.6 生物医用高熵合金 347
14.7 其他功能 349
参考文献 355
试读
第1章高熵合金的发现与发展
自青铜器时代以来，先人们掌握了合金熔炼技术，极大地促进了生产力的发展。但不论是青铜器时代，还是铁器时代，合金的发展都是围绕一种金属（例如铜和铁）作为主要元素，其他金属少量或者微量合金化，起到合金强化的效果。以蒸汽机发明为代表的**次工业革命之后，钢铁材料成为工业装备的基础支撑。20世纪以来，随着**次世界大战的爆发，各种武器装备与飞机均需要耐高温合金材料，由此铁基和镍基高温合金迅猛发展。其后，包括钛基、钴基、铝基、镁基、铜基、锆基、钨基等合金材料如雨后春笋般地涌现出来。如今，在元素周期表中的几乎所有金属元素都被广泛使用。
然而，几乎所有的工业合金都是以一种或者两种元素为主元，其他元素少量或者微量添加而形成的合金。从事合金研发的人员为什么没有考虑高浓度添加合金元素呢？实际上，合金元素的添加都是从相图角度考虑的。例如图1-1为Al-Cu二元相图，可以看到，Cu在Al中的固溶度很低，仅有百分之几，该相图中一共有13种金属间化合物相。众所周知，金属间化合物都比较脆，Al合金中一旦过量添加Cu，基体将析出多个脆性金属间化合物相，进而使得Al合金脆性增加，影响使用性能。由此得知，传统合金的开发主要基于热力学上焓的角度，而标示相稳定性的吉布斯自由能包括了焓和熵。
图1-1Al-Cu合金二元相图
2004年由中国台湾清华大学的Yeh教授和英国牛津大学的Cantor教授课题组撰写的两篇学术论文，开启了对该新型合金世界的探索［1，2］。通过不断地实验和研究，进而引入了全新的合金概念——“高熵合金（high-entropy alloys，HEA)”或“多主元合金（multi-principal elements alloys，MPEAs）”。这种新的合金概念是合金发展史上的一个重要的里程碑。2024年是高熵合金概念正式提出的第二十年，为此，著者将课题组里近二十年中对高熵合金的研究进行了总结。
1.1高熵合金的定义
在介绍高熵合金的定义之前，需要理解合金的混合焓和混合熵，两者的差异是由纯组元的混合所引起的。根据统计热力学，玻尔兹曼方程计算系统的混合熵［3］：
ΔSconf=kBlnω（1-1)
式中，kB是玻尔兹曼常数，ω是可用能量在系统中的粒子之间混合或共享的方式的数量。对于随机的n组分固溶体，其中第i组分具有摩尔分数Xi，其每摩尔的理想构型熵是［4］：
（1-2)
式中，R是摩尔气体常数，8.314J/（mol K）。表1-1不同主元的等原子比合金的理想混合熵［1］n12345678910ΔSconf00.69R1.1R1.39R1.61R1.79R1.95R2.08R2.2R2.3R
等原子比合金处于液态或固溶体状态的摩尔混合熵计算公式为［1］：
（1-3)
尽管总混合熵有四个部分：混合熵、原子的振动、磁偶极子和电子随机性，但混合熵处于主导地位［1］，与Chaps提出的理论预测是一致的。因此，用混合熵通常表示总的混合熵，以避免难以计算其他三个部分。表1-1列出了等原子比合金就气体常数R而言的混合熵。随着主元数量的增加，混合熵也不断增加。金属熔化期间从固体到液体的摩尔熵变ΔSf数值上约为R［8.314J/（mol K）］。此外，熔化过程摩尔的焓变或潜热ΔHf通过下式与ΔSf相关：TmΔSf=ΔHf，因为自由能变化ΔGf为零。根据固体和液体中的键数差异，ΔHf被认为是破坏1mol密堆积固体中所有键的约1/12所需的能量。因此，TmR约等于1mol密排堆积固体中所有键能的1/12。这表明合金的摩尔混合熵是很高的，并且RT相比合金态与非合金态的键能所引起的摩尔混合焓是有差异的。因此，在将混合自由能降低一定量时，R的摩尔混合熵非常大，特别是在高温下（例如在1000K时，RT=8.314kJ/mol）。
如果忽略由原子尺寸差异引起的应变能效应，则混合熵和源于化学键的混合焓是决定平衡状态的两个主要因素。与负的混合焓（形成化合物的驱动力）和正混合焓（形成*立相的驱动力）相反，混合熵是形成无序固溶体的驱动力。因此，实际平衡状态取决于不同状态的相对值之间的竞争。例如，将两种典型的强金属间化合物NiAl和TiAl的形成焓除以它们各自的熔点分别得到1.38R和2.06R［5］。这意味着形成这种化合物的驱动力是符合这种法则的。另一方面，Cr-Cu和Fe-Cu的形成焓分别为12kJ/mol和13kJ/mol。将形成焓除以铜的熔点分别得到1.06R和1.15R。因此与混合焓相比，认为摩尔混合熵1.5R相对较大是合理的，并且认为形成固溶体的可能性更高。如表1-1所示，5元系合金的理想混合熵为1.61R。因此，具有至少五元系的合金将具有更大概率的形成固熔体。尽管在大多数情况下可能不会形成无序固溶体，但更容易获得高度有序的固溶体。因此，高的混合熵增强了元素之间的互溶性并有效地减少了相的数量，特别是在高温下。
基于上述考虑，“高熵合金”有两种定义［1］。一种基于成分，另一种基于混合熵。对于前者，高熵合金更偏向于定义为含有至少五种主要元素的合金，每种主要元素的原子百分比在5％
