晶界特征及受载行为是影响多晶陶瓷强度与塑性的关键因素.本文基于第一性原理计算研究了(HfNbTaTiZr)C高熵碳化物陶瓷(high-entropy carbide ceramic,HECC)及其组分二元过渡金属碳化物(transition metal carbides,TMCs)中Σ5{310}[001]...晶界特征及受载行为是影响多晶陶瓷强度与塑性的关键因素.本文基于第一性原理计算研究了(HfNbTaTiZr)C高熵碳化物陶瓷(high-entropy carbide ceramic,HECC)及其组分二元过渡金属碳化物(transition metal carbides,TMCs)中Σ5{310}[001]晶界的稳定性及其在外载下的力学响应.结果显示:各体系均存在Open与Compact型两类晶界,Open型晶界能较低,结构更稳定.剪切变形下,除IVB族TMCs的Open型晶界因形成C—C键而发生TM—C键断裂失效外,其余体系均表现为晶界迁移.HECC中Open型晶界的首次迁移应力高于TMCs,体现出多主元晶界的强化作用.拉伸作用下,含Compact型晶界的TMCs主要以石墨化方式失效,而HECC同时出现石墨化与沿晶断裂.对于Open型晶界,IVB族TMCs因晶界过剩体积增大而屈服,VB族TMCs则发生沿晶断裂,两类机制在HECC中均可观察到.值得注意的是,含Compact型晶界HECC的屈服强度接近TMCs的峰值,应力水平突破了理想状态下“短板效应”的限制.本研究揭示了晶界结构与多主元效应在力学响应中的协同作用,研究结果可为HECC的晶界调控与力学性能优化提供理论依据.展开更多
文摘晶界特征及受载行为是影响多晶陶瓷强度与塑性的关键因素.本文基于第一性原理计算研究了(HfNbTaTiZr)C高熵碳化物陶瓷(high-entropy carbide ceramic,HECC)及其组分二元过渡金属碳化物(transition metal carbides,TMCs)中Σ5{310}[001]晶界的稳定性及其在外载下的力学响应.结果显示:各体系均存在Open与Compact型两类晶界,Open型晶界能较低,结构更稳定.剪切变形下,除IVB族TMCs的Open型晶界因形成C—C键而发生TM—C键断裂失效外,其余体系均表现为晶界迁移.HECC中Open型晶界的首次迁移应力高于TMCs,体现出多主元晶界的强化作用.拉伸作用下,含Compact型晶界的TMCs主要以石墨化方式失效,而HECC同时出现石墨化与沿晶断裂.对于Open型晶界,IVB族TMCs因晶界过剩体积增大而屈服,VB族TMCs则发生沿晶断裂,两类机制在HECC中均可观察到.值得注意的是,含Compact型晶界HECC的屈服强度接近TMCs的峰值,应力水平突破了理想状态下“短板效应”的限制.本研究揭示了晶界结构与多主元效应在力学响应中的协同作用,研究结果可为HECC的晶界调控与力学性能优化提供理论依据.
