高熵合金(HEAS).pptx

高熵合金(heas) 組員: 4100066023 林鄭安 4100066037 許瑋哲 4100066046 李建宏 4100066050 劉孟昌 目前所採用的常見的合金系統通成份裡只會有一個或至多兩 個元素。因為一般我們會認為，更大數量的組成的合金的主 要元素會形成複雜的和脆性的微觀結構，因此關於多主要元 素的合金的資料非常有限。 但是在1995年，有五個或更多的金屬元素的合金系統 實際上會具有較高的混合熵，因此有利於形成多元素 固溶體相，包括許多金屬間化合物而不是預測的複雜結構。 這些多主要元素合金，即是所謂的“高熵合金”（he合金 ），在其中發現他們這些合金會形成奈米結晶構造甚至是無 定形的結構 摘要- 除了高熵效應，這些結構特點是歸因於大的晶格畸變和擴散 緩慢等因為多元素混合在一起所造成的效果。效果大小取決 於其組成或處理的路線 he合金已發現具有廣泛的微觀結構和性質及優越的性能表 現，隨著數量龐大的可能的組合物的發現，該組合物可能提 供新的現象和功能用途，而且可以更廣泛的應用在工業上 迄今已經有大約有30種實用合金系統，其中包括 鐵（鋼），鋁，銅，鈦，鎂，和ni基合金。這些合金通常由 一個主要元素，添加少量元素改變主元素的特性。 在1970年代絕大多數目前所使用的高性能合金被開發出來 被認為已經達到了傳統合金的巔峰 1.介紹- 在合金研究追求的主要目標可以概括以下： 1。強度和韌性 - 高剛度，高強度和高韌性。 2。耐磨性-高硬度和高耐磨性。 3。高溫電阻-升高的高溫強度和耐氧化性。 4。耐環境性-改進的耐腐蝕和應力腐蝕。 5。重量輕-低密度。 6。可塑性-超塑性成形和高應變速率超塑性。 7。磁性-優異的軟質或硬質的磁特性 8。綠色環保材料-環保，可回收利用，無鉛或鎘等重金屬 9。以上各項的組合。 雖然上述要求已經達到，仍然需要改善在應用中所使用的材料，如： 1。發動機材料-更好的高溫強度的強度，耐氧化性，和熱腐蝕（硫 化）的電阻。 2。核材料-更好的高溫強度和低中子吸收。 3。刀具材料-更好的高溫強度，耐磨損，耐衝擊強度，低摩擦性， 耐腐蝕性，耐氧化性，和抗粘性。 4。垃圾焚燒爐-更好的高溫強度，耐磨損，耐腐蝕電阻和耐氧化 性。 5。耐火性建築框架-更好且持續的高溫強度以抵抗高溫。 。 6。輕型運輸材料-較好的強度，韌性，抗蠕變性，和可操作性。 7。高頻通信材料-高電性和磁性3 ghz以上的滲透率。 8。功能性塗料-更好的耐磨損性，抗粘，抗指紋，抗菌和美觀性。 9。手機-儲氫材料，成本低，高的可逆容量和重量密度的氫，和接近室溫的 循環條件。 10。超導-更高的臨界溫度和臨界電流。 11。 thermoelectric材料-更高的熱電性。 12。高爾夫球桿頭-更高的強度和韌性。 在熱力學系統會盡量減低其吉布斯自由能（g）下(等溫等壓)即平衡為當g達到 最小值。因此，如下面的關係中存在的系統的自由能： g = h - ts - (1) 可以看出，一個系統的焓值（h）和熵（s）在一個給定的溫度下的平衡狀態有 直接的關係。 對於預測的平衡狀態: 合金從元素狀態到其它的狀態的自由能變化做一比較，具有最低的混合自由能 gmix的狀態為平衡狀態。從式（1）中它元素和混合態之間的自由能差（ gmix），焓（hmix）和熵（smix）關係為 gmix=hmix-tsmix 從波茲曼的假說n元素的混合熵 smix = rln(n)可以粗略得知當n越大，smix 越大(恆正)，表示gmix越小 2.高熵合金的概念- 高熵合金四大效應 （1）高熵效應（2）晶格扭曲效應（3）延遲擴散效應（4）雞尾酒效應 簡言之，高熵起著重要的作用，簡化了微觀結構，使它們主要包括簡單的固溶 體與fcc或bcc結構。晶格畸變進而影響機械，物理和化學屬性。遲緩的擴散 導致的合金發展出了奈米晶或甚至非晶態結構。最後，雞尾酒效應導致複合材 料對性能的影響，其特徵在於，不同元素之間的相互作用本身扮演重要的角 色。 所有上述因素提供眾多的多功能特性，因此使它們適用於許多應用。 3.多主要元素的影響- 高熵效應 通常我們會認為幾個主要元素組成的合金會形成複雜而脆的微觀結構，因此以往較少研究 多主要元素合金。然而，真實情況卻跟我們想像的不一樣，互溶元素所組成的hea，只會 形成極少數的固溶體組成抑或是僅僅形成單相結構，這些皆歸功於其高的混合熵。相的數 量是遠遠低於預測的gibbs phase rule的最大數目。這意味著，高混合熵增強元素之間 的互溶性，並防止其分離成終端固溶體相或金屬間化合物。在固態熱力學，混合熵是計算 溫度上升時空位濃度和溶質溶解度是否上升的一個重要工具。所有這些現象可以參照下式 即gmix=hmix-tsmix，其中的混合熵與混合焓的大小會決定g值。此外，在高溫 時tsmix會主導上式在低溫時則是hmix主導。 3.1高熵效應 圖3示出純元素和金屬間化合物及以八個元素所形成的合金的相對自由 能曲線。 八個元素的合金固溶體因為高的混合熵的因素而讓它的自由能是最低的 最低的原因便是由於其較高的混合熵。這也是它是熱力學穩定的原因。 其他可能的狀態，如三元或四元化合物，因為有較低的混合熵因此有著 較高的混合自由能(與八個元素的合金固溶體比較)。 晶格扭曲效應 因為在hea中時常發現有多主要元素的固溶體，因此現有的晶體結構的概念從 一個或兩個元素的基礎擴展到多元素的基礎上。事實上，這樣的多元素的晶格 是高度扭曲，因為所有的原子是溶質原子，其原子大小迥異。可以預期，對於 足夠大的原子尺寸差異，扭曲晶格將縮成一個無定形的結構，但因為晶格畸變 的能量非常高進而保留了晶體的配置。這種晶格扭曲不論是在結晶或無定形的 結構會對材料的機械、熱、電、光或化學等性質造成很大的影響此種行為即稱 為所謂的“晶格扭曲效應”。例如，hea的晶格扭曲效應會導致高的固溶硬化 ，熱電阻，電阻和x-射線。 3.2晶格扭曲效應 figure 1.(a) bcc and (b) fcc crystal structures with five principal elements 延遲擴散效應 相變是原子的擴散的結果，這是需要元素之間的互相擴散，以便實現各相之間 的平衡分區。在晶格扭曲下阻礙了原子的運動，此將會限制在hea的有效擴 散。在hea的鑄造中，相分離的過程在高溫下的冷卻是會被抑制進而延遲直到 降到低溫。 在薄膜塗層的技術中，因為晶粒成長抑或是成核漸漸被抑制而 可以更容易讓更多的元素混合成無定形結構。 3.3延遲擴散效應 雞尾酒效應 由於多主要元素的組成，heas可以被看作是一個原子尺度的複合材料。因此， 他們表現出的複合效果會隨著互溶元素之間的影響而改變，還會有間接影響各 種元素的微觀結構。例如，如果使用更多的輕元素，整體密度將降低。如果使 用更耐氧化的元素，如鋁，鉻，和矽，可以提高在高溫下的耐氧化性。如果一 個元素如al被添加進合金，al是可以跟其他元素鈷，鉻，銅，鐵和鎳具有很強 的鍵結，進而促進bcc相的形成，強度將增加。假設在某合金中加入al，這種 合金系統中al可以類似碳在鐵裡的作用能大幅增加硬度其合金的硬度，雖然它 們的加強機制是不同的。可是目的是一樣的。 3.4雞尾酒效應 figure 2.strengthening effect of aluminum addition on the cast hardness of alxcocrcufeni alloys. a, b and c refer to the hardness, fcc lattice constant and bcc lattice constant, respectively. 自1995年以來，新的合金體系“高熵合金”中的四大效應 (1)高熵效應(2)晶格扭曲效應(3)遲緩擴散效應(4)雞尾酒效應 是發現多主要元素的混合物的重要因素高熵合金的組織和性能。高混合熵是最 重要的因素，因為它有利於形成多元素的固溶體相，因為相對複雜的結構是由 許多金屬間化合物組成的。這使得這些合金更容易地分析和理解，進而可以輕 易控制和發展。而性質取決於成分或加工的方式。he合金已發現具有廣泛的微 觀結構和性質，無論是從科學或商業的角度來看。在台灣，高