較早出現的高熵雙相合金，由于多種的優越性能廣泛的應用需求，當前研究熱起來。

高熵雙相合金就是兩相共存高度混亂的金屬合金材料。這個混亂不但說的兩相晶粒分布關系，每相内固溶元素分布也是如此。其中雙相是指兩種金屬結晶主相，即面心立方結構晶體（也是面心立方晶格），英文縮寫為（FCC），體心立方結構晶體（也是體心立方晶格），英文縮寫為（BCC）。高熵雙相合金中兩相的相互作用及固溶原子相互作用，使合金性能實現了1 1大于2，克服了兩相各自弱點，由于兩相之間互作用，使合金性能超過各自的獨立性能簡單相加。

在這類合金存在這兩種物相中，多種合金元素中鐵又是其中重要元素。鐵本身也有BCC（α-Fe）和FCC（γ-Fe）雙相問題。910攝氏度以下為α-Fe，體心立方（BCC），910攝氏度以上為γ-Fe，面心立方（FCC）。認真計算和讨論一下兩相晶體學關系是對高熵雙相合金有重要參考意義的。

（一），鐵的體心立方和面心立方結構晶體學關系

大家熟知體心立方晶體結構和面心立方晶體結構如圖（1）所示，是慣用晶胞。

圖（1）a，體心立方

圖（1）b，面心立方

兩種結構分别取出簡單晶胞，如圖（2）所示。圖（2）b沒見到書上和網上有。作者畫出來費勁，讀者不細觀察理解起來也有難度。但你知道菱面體軸間角就會好理解了。

圖（2）a，面心立方晶胞與簡單晶胞關系

圖（2）b，體心立方晶胞與簡單晶胞關系

圖（2）a，面心立方的簡單晶胞（菱面體）軸間角是60度，（或120度），即面心立方不同【110】方向張開的角度。圖（2）b體心立方的簡單晶胞（菱面體）軸間角是109.471…度和70.529…度，即體心立方不同【111】方向張開的角度。

理解體心立方相（BCC）向面心立方相（FCC）轉變可以想像原子改變堆積方式，覺得這動作挺大。如果用簡單晶胞理解二者相變時的結構變化，就是簡單晶胞菱面體角度變化。體心立方Fe轉變成面心立方Fe，隻要簡單晶胞菱面體的三軸夾角收小為60度就實現了體心立方向面心立方轉變。反之亦然。

體心立方結構（BCC）空間群為Im3m，結構基元是Fe原子，每個晶胞有2個Fe原子。面心立方結構（FCC）空間群是Fm3m，結構基元也是Fe原子，每個晶胞有4個Fe原子。為了比較二者結構的變化，放棄符合晶系對稱性的晶胞選取，選取隻含1個Fe原子的簡單晶胞，它與慣用立方晶胞關系由圖（2）給出。體心立方的簡單晶胞是“扁”菱面體，面心立方的簡單晶胞是“長”菱面體。計算出各自簡單晶胞體積相當于一個Fe原子在晶體結構中占的體積，可以看出兩種堆積的緊密程度，與實測數據比較又可以研究溫度影響或其它元素進入結構的作用。

查得Fe原子的金屬半徑為0.124nm（1987年，徐光憲等）。以該數據分别計算體心立方（BCC）晶體和面心立方晶體（FCC）的晶格常數，立方晶胞體積，簡單晶胞（菱面體）體積。從而比較堆積緊密程度差别。與實際測得兩種物相數據進行比較，觀察溫度及摻雜固溶元素對結構影響。

通過晶體結構模型，朋友們容易理解，體心立方（BCC）的Fe原子在體心立方的體對角線方向“球”碰“球”，而面心立方（FCC）的Fe原子在面心立方的面對角線方向“球”碰“球”。長度都是4倍Fe原子半徑。求得：

0.124*4=0.496nm

對于（BCC）晶格常數為：

0.496／√3＝0.2864nm

對于（FCC）晶格常數為：

0.496／√2=0.3507nm

有了晶格常數就可以計算各自晶胞的體積。

對于（BCC）：

V（α-Fe）=0.2864^3=0.02349nm^3

對于（FCC）：

V（γ-Fe）＝0.3507^3＝0.04313nm^3

用各相立方晶胞體積求出簡單晶胞（含一個Fe原子）體積。對于（BCC），一個晶胞有2個原子：

0.02349／2=0.01175nm^3

對于（FCC），一個晶胞有4個原子：

0.04313／4=0.01078nm^3

結果可以看出同為一個Fe原子，在兩型結構中體積占比（BCC／FCC）是1.090：1。可見（FCC）為緊密堆積而（BCC）為次緊密堆積名符實際的。

然而在X射線衍射實驗測得晶格常數結果，對于（BCC），a＝0.2866nm，與計算結果一緻。對于（FCC）實測高溫相結果a＝〈0.3648～0.3659）nm。比計算結果a＝0.3507nm大了，密度的降低，是由于溫度作用産生的。相變使密度增加，升高溫度，熱脹又使密度減小超過了相變增加。

（二）鐵中含碳對結構和性能的作用

上述讨論和計算是無碳時鐵的兩相關系，當鐵中含碳時（如0.0%.～1.8%），結構狀态比較複雜，用溫度～含碳量與物相關系的相圖表示。是按緩慢降溫得到的。本文隻讨論當一定含碳量，急速降溫時，産生的含C的Fe的體心四方相，金屬學中稱馬氏體，把這種轉變稱為馬氏體相變。

假定含碳量為1.2%。在高溫狀态為面心立方結構，C可以容納在Fe的八面體間隙中，計算出八面體間隙，可容納原子直徑為0.103nm，C原子直徑可達0.154nm。而3配位，4配位和6配位有效離子直徑分别為0.016nm（3），0.030nm（4），0.032nm（6）。以6配位離子鍵考慮，C在FCC的八面體間隙中能充分容納。在圖（2）可以看出，在簡單菱面體晶胞中，C占據菱面體簡單晶胞體心。圖上沒畫出C原子。從高溫緩慢降溫時，C可以析出。當急速降溫時，應在約910攝氏度以下轉變為體心立方，然而由于急速降溫，C又來不及析出，轉變成含C的體心四方晶體，c／a大于1。如圖（3）所示。

圖（3），F（C）體心四方相

小黑球代表統計分布C的位置，每點不代表一個原子，隻代表1.2%個原子，實際情況是每一個C原子位置出現C原子幾率為1.2%。晶胞内有2個1.2%C原子，每個Fe原子與一個1.2%C原子組成一個結構基元。由于一個C的位置出現在結構的ab面内，另一個C的位置在c軸棱上，使體心立方變成體心四方。又由于統計占位，形成嚴重的晶格畸變。微觀應力大，硬度高，脆性大。在鋼材熱處理中的淬火，就是利用了碳鋼結構的這種結構轉變，實現高硬度，如不加其它處理，容易開裂斷裂。

（三），高熵雙相合金

暫不對多體系作全面讨論，以高熵雙相合金AlCoCrFeNi2.1體系為例，在該體系中，除了Al元素是周期表3周期元素之外，其餘的都是4周期原子序數相臨或相近的過渡族金屬。從晶體學視角探索雙相FCC和BCC結構形成及其相互關系。一般來說，單質常溫結晶的結構類型相同，晶格常數相近，金屬原子半徑相近，就容易固溶結晶成同型結構合金相。

查閱了手頭能查到的晶體結構數據，可以列出結構類型為：

Al：（FCC）

Co：（FCC），少有六角密堆（HCP）

Cr：（BCC），（HCP），少有簡單立方晶格

Fe：（BCC），（FCC）（910攝氏度以上），少有（HCP）

Ni：（FCC），少有（HCP）。

該系合金涉及元素的金屬半徑為（單位nm）：

Al：0.l43；Co：0.125；

Cr：0.125；Fe：0.124；

Ni：0.125

結合元素的結構類型和金屬半徑數據，可以判斷該系高熵雙相合金中的（BCC）相固溶應為CrFe，（FCC）相應為CoNiFe。兩相之間可能有少量元素相互替換。單質Al雖然是面心立方，但由于金屬半徑較大，可以在兩相中出現，或單獨析出，形成少量第三相，如有析出對材料力學性能不利，如進入雙相中固溶，必将加重晶格畸變，起到調節（BCC）相和（FCC）相以及晶格畸變的作用。在性能上降低面心立方（111）面滑移，降低塑性（範性）。

上述判斷是認為每相元素原子充分固溶，即在晶格占位上充分無序，也是高熵之意。但人們忽略了一些結構狀态。由于元素單質結晶結構類型相同，金屬半徑相近，處理不當，很容易以同型結構分相共格結晶，類似薄膜的外延生長，形成分晶格或超晶格，對高熵雙相合金可能是不希望的，但依據超導體NbTi合金的結構特征，如果整塊材料都出現這種結構狀态，有可能呈現超導電性。

高熵雙相合金中，晶粒尺寸和兩相晶粒之間取向關系是很重要的。細晶粒混亂取向有助于阻止（FCC）的（111）面滑移，降低塑性（範性）形變。（BCC）相的混亂分布，調整好合适取向，進一步阻止（FCC）相的〈111）面滑移，也降低了塑性（範性）形變。這種互相作用，正是高熵雙相合金在力學性能上1 1大于2的原因，即有很好的硬度（剛性），但脆性不高，有很好的韌性。

上述分析判斷隻是從結晶學視角探索了高熵雙相合金結構和性能關系，實際情況影響因素更多更複雜。如制備流程，熱処理制式，加工工藝等都會影響結構狀态與性能關系，隻能依據對材料性能需要，由實踐檢驗所決定。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!