一:高熵合金的热力学特征简述
(一)固溶体的熵与焓解析
固溶体(SS)相的吉布斯能表达式为Gss=Hss-TSss。在理想熔液中,Hss值为零,但实际情况中Hss通常具有较小数值。当Hss大于0时,非随机分布的原子展现出相分离的趋势;当Hss小于或大于HEA合金中,最稳定的溶液通常出现在等摩尔成分中。对于常规(图1a)与亚常规(图1b)固溶体,其代表性热力学函数具有不同的热力学特性。图1a中的最稳定组合为等摩尔组合,而图1b中则为XB=0.55。Hss曲线的不对称性程度较小但较为明显,其最小值可能出现在XB=0.50±0.10的范围内。
图示:
(a) 700K时,Co-Ni合金在常规熔液的熵、焓与吉布斯能量图解;
(b) 700K时,Ce-Ni合金在亚常规熔液的熵、焓与吉布斯能量图示。
(二)金属间相的熵与焓概览
金属间相(IM)的吉布斯能GIM由HIM和SIM决定,它们分别是IM相的摩尔生成焓与熵。由于SS相与IM相的结构差异,它们的熵值也各不相同。图2描绘了SS与IM晶体的结构示意图。从图中可以看出,IM相的熵值相对较低,每个晶格仅含单一元素。在多主元合金中,一个晶格位点通常是多种元素的随机分布,这显著增加了熵值。
图示参考:二元有序晶体与多主元晶体的示意图。
二:高熵合金的四重核心效应详解
(一)高熵效应
高熵效应是HEA的标志性概念。通过比较理想形成熵与纯金属的焓(选取IM化合物形成焓),我们可以得知在含有5个或更多等摩尔元素的合金中,更倾向于形成SS相而非IM化合物。不考虑特殊组合的情况下,仅通过熵与焓的高低来分析常规的SS相与IM相。熵值主要考虑生成熵,虽然振动、电子与磁性也影响其熵值,但合金结构仍是主要因素。
(二)晶格畸变探讨
高熵相中的不同原子尺寸导致了严重的晶格畸变。每个晶格位置的位移取决于占据该位置的原子和局部环境中的原子类型。这些畸变比传统合金更为显著。原子位置的不确定性导致合金的形成焓升高。虽然这可能降低X射线衍射峰的强度并增加硬度,同时也降低电导率和合金的温度依赖性,但目前仍缺乏系统实验来定量描述这些性能变化的具体数值。
(三)缓慢扩散特性分析
在HAs中,扩散过程是缓慢的,这在纳米晶与非晶合金的形成及其显微结构中得以体现。
(四)"鸡尾酒"效应解析
"鸡尾酒"效应是S.Ranganathan教授首次提出的词汇,最初意为“一种愉悦、愉快的混合”。后来,它被用来描述一种协同混合物,其最终结果不可预测且大于各部分的总和。这一短语适用于描述三种不同类型的合金:大块金属玻璃、超弹性和超塑性金属以及HEAs。这些合金均为多主元合金。"鸡尾酒"效应表征了无定形大块金属玻璃的结构和功能特性。