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高熵合金是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(lái)材料科學(xué)發(fā)展新的熱點(diǎn)和方向之一。本書(shū)綜合了大量作者多年在國(guó)內(nèi)、國(guó)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(guò)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(duì)高熵合金進(jìn)行系統(tǒng)介紹，進(jìn)而更好地預(yù)測(cè)其性能；第5章～第7章介紹高熵合金的設(shè)計(jì)理念、制備方法等；第8章對(duì)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(diǎn)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(shū)內(nèi)容以作者深厚的理論知識(shí)和豐富的長(zhǎng)期科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的理論性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性，視野獨(dú)特，體系齊全，充分反映了該領(lǐng)域的前沿和關(guān)注的問(wèn)題，是適應(yīng)于高熵合金研究及其知識(shí)普及和應(yīng)用的重要著作。本書(shū)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(shū)或教材。

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(guò)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(shí)際使用要求。近年來(lái)，人們開(kāi)始從調(diào)節(jié)材料的序參量,有序或無(wú)序的程度，或者熵參量來(lái)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(wú)序發(fā)展的新材料，主要提出了從熵的角度開(kāi)發(fā)和研究合金材料，突破了過(guò)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(gè)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(gè)階段主要是研究熵如何穩(wěn)定化學(xué)無(wú)序的固溶體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)無(wú)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(cè)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?yàn)楦哽睾辖鹗堑湫偷臐夤倘荏w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(diǎn),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(cuò)能低。

第二個(gè)階段的研究是基于實(shí)際的工程應(yīng)用，需要降低合金的成本，先報(bào)道了五元非等原子比雙相合金，實(shí)現(xiàn)了孿晶增韌(TWIP)和相變?cè)鲰g(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(gè)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(shū)將為讀者提供關(guān)于高熵材料一個(gè)概括的總結(jié)，為對(duì)高熵合金感興趣的讀者提供一個(gè)引子，以便將來(lái)進(jìn)行更深入、系統(tǒng)的研究。本書(shū)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(xiě)，其中張蔚冉負(fù)責(zé)第1章撰寫(xiě)，王軍強(qiáng)、趙昆、高選橋和霍軍濤負(fù)責(zé)第2章撰寫(xiě)，左婷婷和張濤負(fù)責(zé)第3章、第7章、第11章撰寫(xiě)，田付陽(yáng)負(fù)責(zé)第4章撰寫(xiě)，陳明彪負(fù)責(zé)第5章和第6章撰寫(xiě)，楊瀟負(fù)責(zé)第8章和第9章撰寫(xiě)，夏松欽負(fù)責(zé)第10章撰寫(xiě)。在本書(shū)撰寫(xiě)中，張敏和李冬月在排版和校對(duì)方面做了細(xì)致的工作。編著者對(duì)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(diǎn)，涉及的學(xué)科多、發(fā)展快，加上編著者水平和學(xué)識(shí)有限，在取材和論述方面會(huì)存在不妥之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

張勇

2018年3月

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(jiǎn)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(diǎn)030

1.8對(duì)高熵合金現(xiàn)存問(wèn)題的闡述041

1.8.1高熵合金定義問(wèn)題041

1.8.2相形成問(wèn)題042

1.8.3緩慢擴(kuò)散效應(yīng)問(wèn)題044

1.9高熵合金的未來(lái)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(jì)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(dòng)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(jiǎn)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(jì)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(cè)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(cuò)能計(jì)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(jì)／106

5.1概述106

5.2多主元高熵固溶體合金的設(shè)計(jì)107

5.2.1多主元高熵固溶體合金設(shè)計(jì)依據(jù)理論107

5.2.2多主元高熵固溶體合金設(shè)計(jì)考慮因素109

5.2.3多主元高熵固溶體合金設(shè)計(jì)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(jì)113

5.3高熵合金設(shè)計(jì)研究實(shí)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(wèn)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(diǎn)／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(jià)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(lái)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(shì)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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