高熵合金是近年來發(fā)展起來的新型合金材料，有望突破傳統(tǒng)材料的性能極限，已經(jīng)成為近年來材料科學(xué)發(fā)展新的熱點和方向之一。本書綜合了大量作者多年在國內(nèi)、國外發(fā)表的寶貴科研成果，共分為11章：第1章介紹高熵合金的發(fā)展過程；第2章介紹高熵非晶合金的一系列性能；第3章～第4章對高熵合金進(jìn)行系統(tǒng)介紹，進(jìn)而更好地預(yù)測其性能；第5章～第7章介紹高熵合金的設(shè)計理念、制備方法等；第8章對高熵合金性能進(jìn)行深入介紹；第9章主要介紹高熵合金的相形成規(guī)律；第10章重點介紹高熵合金的抗輻照性能；第11章介紹其應(yīng)用的新領(lǐng)域與新技術(shù)。
全書內(nèi)容以作者深厚的理論知識和豐富的長期科研實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的理論性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和實用性，視野獨特，體系齊全，充分反映了該領(lǐng)域的前沿和關(guān)注的問題，是適應(yīng)于高熵合金研究及其知識普及和應(yīng)用的重要著作。本書可供廣大新材料、非晶材料、材料科學(xué)等領(lǐng)域的科研人員、技術(shù)人員閱讀或參考，也可作為相關(guān)專業(yè)大專師生的教學(xué)參考書或教材。
1 高熵合金是近年來材料科學(xué)發(fā)展新的熱點和方向之一。
2 中國科學(xué)院院士汪衛(wèi)華先生，中國工程院院士李冠興先生親自為本書寫序，大力推薦。
3 本書作者為中國率先對高熵合金理論與制備技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行深入研究的科研人員。
4 全面、系統(tǒng)介紹高熵合金更新研究成果，代表了國際先進(jìn)水平。
探索新型材料是人類文明發(fā)展進(jìn)程中的永恒追求。傳統(tǒng)研發(fā)新材料的辦法是基于一種或兩種主元或組分，通過添加少量的其他主元或組分，以達(dá)到優(yōu)化材料性能的目的，滿足人類的實際使用要求。近年來，人們開始從調(diào)節(jié)材料的序參量,有序或無序的程度，或者熵參量來研究和發(fā)展材料。序參量也分結(jié)構(gòu)序和化學(xué)序參量。前者主要指空間結(jié)構(gòu)上的序，后者主要指化學(xué)占位上的序。眾所周知的例子,如非晶合金、有序金屬間化合物高溫材料、高熵合金等。
高熵合金是基于化學(xué)無序發(fā)展的新材料，主要提出了從熵的角度開發(fā)和研究合金材料，突破了過去合金材料基元的限制。到目前為止，高熵合金經(jīng)歷了三個主要階段：第一,五元等原子比單相固溶體合金；第二,四元或五元非等原子比多相合金；第三,高熵薄膜或陶瓷。
第一個階段主要是研究熵如何穩(wěn)定化學(xué)無序的固溶體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)無序的非晶結(jié)構(gòu)，熵和焓如何協(xié)同作用影響合金相的形成，并提出各種預(yù)測高熵合金相形成的判據(jù)；高熵合金的強(qiáng)化機(jī)制，特別是固溶強(qiáng)化，因為高熵合金是典型的濃固溶體區(qū)別于傳統(tǒng)合金稀固溶體；并總結(jié)出了高熵合金的五大特點,即高溫穩(wěn)定性好、低溫高韌性、抗輻照腫脹率、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、晶界能和層錯能低。
第二個階段的研究是基于實際的工程應(yīng)用，需要降低合金的成本，先報道了五元非等原子比雙相合金，實現(xiàn)了孿晶增韌(TWIP)和相變增韌(TRIP)同步產(chǎn)生，導(dǎo)致其強(qiáng)度和室溫塑形同步提高；具有良好鑄造性能的共晶高熵合金；具有良好綜合性能和高溫性能的析出強(qiáng)化高熵合金等。
第三個階段主要是以混合組分為基礎(chǔ)，如幾種碳化物或幾種氮化物或氧化物，形成陶瓷的置換固溶體，預(yù)期得到更高的熱穩(wěn)定性或生物相容性�；旌系霓k法可以是物理氣相沉積(PVD)、磁控濺射(Sputter)、固相反應(yīng)、燒結(jié)等。
本書將為讀者提供關(guān)于高熵材料一個概括的總結(jié)，為對高熵合金感興趣的讀者提供一個引子，以便將來進(jìn)行更深入、系統(tǒng)的研究。本書總共分為11章，具體分工如下：張勇負(fù)責(zé)全部的統(tǒng)籌安排和撰寫，其中張蔚冉負(fù)責(zé)第1章撰寫，王軍強(qiáng)、趙昆、高選橋和霍軍濤負(fù)責(zé)第2章撰寫，左婷婷和張濤負(fù)責(zé)第3章、第7章、第11章撰寫，田付陽負(fù)責(zé)第4章撰寫，陳明彪負(fù)責(zé)第5章和第6章撰寫，楊瀟負(fù)責(zé)第8章和第9章撰寫，夏松欽負(fù)責(zé)第10章撰寫。在本書撰寫中，張敏和李冬月在排版和校對方面做了細(xì)致的工作。編著者對此表示衷心的感謝和崇高的敬意！
由于高熵合金是近期研究的熱點，涉及的學(xué)科多、發(fā)展快，加上編著者水平和學(xué)識有限，在取材和論述方面會存在不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。
張勇
2018年3月
張勇，北京科技大學(xué)，教授，博導(dǎo)，現(xiàn)為北京科技大學(xué)教授，國家重點實驗室教授；材料學(xué)博士生導(dǎo)師。國家863項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、青年基金項目、教育部博士點基金、新教授基金等評審專家。兼任中國材料研究學(xué)會，金屬間化合物與非晶合金分會理事，副秘書長，中國復(fù)合材料學(xué)會理事；《中國物理學(xué)報》和《Chinese Physics》特約審稿人。并擔(dān)任了《中國有色金屬學(xué)報》，《金屬學(xué)報》，《中國科學(xué)》等期刊審稿人；外文期刊《Intermetallics》，《Materials Science and Engineering A》，《Journal of Non-Crystalline Solids》，《ElectroChemistry Communication》等期刊的審稿人。
第1章緒論／001
1.1材料的發(fā)展001
1.1.1材料的定義及其分類001
1.1.2金屬材料的發(fā)展簡史003
1.1.3高熵合金的發(fā)現(xiàn)003
1.2高熵合金的發(fā)展007
1.2.1高熵合金的歷史背景007
1.2.2高熵合金的相關(guān)發(fā)展007
1.2.3高熵合金的研究成果009
1.3高熵合金的熱力學(xué)基礎(chǔ)010
1.4高熵合金及其定義013
1.5高熵合金的特性015
1.5.1高熵效應(yīng)015
1.5.2晶格畸變效應(yīng)016
1.5.3緩慢擴(kuò)散效應(yīng)018
1.5.4雞尾酒效應(yīng)018
1.5.5熱穩(wěn)定性020
1.6高熵合金的制備023
1.6.1塊狀高熵合金024
1.6.2薄膜高熵合金026
1.6.3絲狀高熵合金027
1.6.4粉末高熵合金029
1.7高熵合金的研究熱點030
1.8對高熵合金現(xiàn)存問題的闡述041
1.8.1高熵合金定義問題041
1.8.2相形成問題042
1.8.3緩慢擴(kuò)散效應(yīng)問題044
1.9高熵合金的未來研究方向045
1.9.1理論研究045
1.9.2應(yīng)用方向047
1.10高熵合金與材料基因組計劃048
參考文獻(xiàn)050
第2章高熵非晶合金及相關(guān)材料／054
2.1非晶合金概述054
2.1.1非晶合金形成判據(jù)及體系分類054
2.1.2非晶合金熱學(xué)性能和弛豫056
2.1.3非晶合金力學(xué)性能057
2.1.4非晶合金磁功能特性057
2.1.5非晶合金化學(xué)功能特性058
2.2高熵非晶合金概述和分類058
2.3高熵非晶合金的力學(xué)性能062
2.4高熵非晶合金的化學(xué)性能及生物相容性065
2.5高熵非晶合金的磁性能069
2.5.1高熵非晶合金的磁熱性能069
2.5.2高熵非晶合金的軟磁性能071
2.6小結(jié)與展望074
參考文獻(xiàn)074
第3章高熵合金的概念／076
3.1高熵合金的定義076
3.1.1高熵合金的狹義定義076
3.1.2高熵合金的廣義定義078
3.2高熵合金的表達(dá)方式079
3.3高熵合金的分類079
3.3.1按微觀結(jié)構(gòu)劃分079
3.3.2按元素組成劃分080
3.3.3按維度劃分080
3.4典型的高熵合金結(jié)構(gòu)模型080
3.4.1面心立方結(jié)構(gòu)080
3.4.2體心立方結(jié)構(gòu)080
3.4.3密排六方結(jié)構(gòu)081
3.4.4非晶結(jié)構(gòu)081
3.5高熵合金的四大效應(yīng)081
3.5.1熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)081
3.5.2結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)083
3.5.3動力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)084
3.5.4性能上的雞尾酒效應(yīng)085
參考文獻(xiàn)087
第4章第一性原理方法在高熵合金中的應(yīng)用／089
4.1第一性原理方法的簡要介紹089
4.2第一性原理方法在高熵合金中的應(yīng)用090
4.2.1高熵合金可計算模型090
4.2.2高熵合金的電子密度091
4.2.3高熵合金的相穩(wěn)定性094
4.2.4高熵合金熱學(xué)量預(yù)測094
4.2.5高熵合金的力學(xué)性質(zhì)094
4.2.6高熵合金層錯能計算098
4.3高熵合金的晶格畸變101
4.4高熵合金的緩慢擴(kuò)散102
參考文獻(xiàn)104
第5章高熵合金的設(shè)計／106
5.1概述106
5.2多主元高熵固溶體合金的設(shè)計107
5.2.1多主元高熵固溶體合金設(shè)計依據(jù)理論107
5.2.2多主元高熵固溶體合金設(shè)計考慮因素109
5.2.3多主元高熵固溶體合金設(shè)計方法109
5.2.4多主元高熵固溶體合金的合金化理論111
5.2.5合金元素選擇與合金系設(shè)計113
5.3高熵合金設(shè)計研究實例118
參考文獻(xiàn)123
第6章高熵合金的制備方法／124
6.1高熵合金制備需要考慮的問題124
6.2熔鑄法制備高熵合金124
6.2.1高熵合金熔鑄方法124
6.2.2高熵合金液凝固技術(shù)方法124
6.2.3高熵合金真空電弧熔煉法124
6.2.4真空感應(yīng)熔煉125
6.2.5定向凝固制備高熵合金單晶126
6.2.6真空熔體快淬法制備非晶高熵合金薄帶126
6.3機(jī)械合金化法制備高熵合金128
6.4制備高熵合金薄膜129
6.5高通量法制備高熵合金131
6.6高熵合金復(fù)合材料的制備131
6.6.1原位自生合成反應(yīng)制備薄膜131
6.6.2機(jī)械合金化法制備陶瓷高熵合金復(fù)合材料132
6.7高熵合金的熱加工132
參考文獻(xiàn)132
第7章高熵合金的組織特征／133
7.1高熵合金的凝固原理133
7.2高熵合金的組織134
7.2.1單相單晶組織134
7.2.2單相多晶組織135
7.2.3單相非晶組織138
7.2.4多相共晶組織139
7.2.5多相其他組織143
參考文獻(xiàn)149
第8章高熵合金的性能特點／151
8.1力學(xué)性能151
8.1.1室溫力學(xué)行為151
8.1.2高溫力學(xué)性能152
8.1.3低溫力學(xué)性能154
8.1.4疲勞性能155
8.1.5斷裂韌性155
8.1.6鋸齒流變行為156
8.1.7影響力學(xué)性能的因素157
8.2耐磨性能159
8.3抗氧化性能159
8.4抗腐蝕性能160
8.5物理性能161
8.5.1電學(xué)性能161
8.5.2磁學(xué)性能163
8.6抗輻照性能165
參考文獻(xiàn)166
第9章高熵合金的相形成規(guī)律／169
9.1多主元合金的相平衡條件169
9.2多主元高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)特征170
9.2.1高熵合金的相結(jié)構(gòu)170
9.2.2高熵合金的組織172
9.3影響多主元高熵合金相穩(wěn)定性的因素175
9.3.1混合熵175
9.3.2混合焓176
9.3.3原子尺寸176
9.3.4電負(fù)性差177
9.3.5價電子濃度177
9.3.6其他因素177
9.4多主元高熵合金的相形成規(guī)律177
9.4.1多主元固溶體形成準(zhǔn)則178
9.4.2非晶形成能力判據(jù)185
參考文獻(xiàn)186
第10章高熵合金的抗輻照性能／188
10.1引言188
10.2高熵合金抗輻照性能研究初衷188
10.3高熵合金的抗輻照性能190
10.3.1堆外離子輻照是高熵合金抗輻照性能研究的重要課題190
10.3.2高熵合金輻照行為研究概述192
10.4傳統(tǒng)核結(jié)構(gòu)材料199
10.4.1鋯及鋯合金199
10.4.2不銹鋼及高鎳合金200
10.5未來高熵合金抗輻照材料展望200
10.5.1納米孿晶材料200
10.5.2SiC陶瓷202
10.5.3新型高熵合金復(fù)合材料展望203
參考文獻(xiàn)204
第11章高熵合金的應(yīng)用前景／206
11.1高熵合金應(yīng)用研究206
11.1.1高性能高熵合金涂層206
11.1.2高溫高熵合金210
11.1.3焊料或焊絲212
11.2高熵合金的發(fā)展趨勢213
11.2.1抗輻照材料213
11.2.2選擇性吸收涂層214
11.2.3低溫結(jié)構(gòu)材料215
11.2.4熱電材料215
11.2.5超導(dǎo)材料216
11.2.6大磁熵材料216
11.2.7高熵軟磁材料225
參考文獻(xiàn)226
索引228
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