研究動機

由於高熵合金材料特有的四大效應，其行為與傳統合金有極大的差異，例如固 溶相穩定、微觀結構簡單化、強韌性、熱穩定性佳、抗氧化能力佳硬度增強，促使 其能夠突破傳統合金材料限制，在材料科學的研究上被認為還有許多值得探究的 議題。

1.2 研究動機

2004 年，Cantor 等人(Cantor et al. 2004)研究由鈷、鉻、鐵、錳、鎳組成的 Cantor Alloy，並發表 Cantor Alloy 之鑄造顯微結構為面心立方堆積之單相結構。2013 年，

德國 Otto 等人(Otto et al. 2013)發表經由冷軋與退火後的 Cantor Alloy 可產生優異 的機械性質，並提出孿晶誘導塑性(Twinning-Induced Plasticity, TWIP)為 Cantor Alloy 的主要變形機制之一。2015 年，德國普朗克研究院(Deng et al. 2015, Li et al.

2016b) 研 究 以 Cantor Alloy 系 統 為 基 底 的 四 元 高 熵 合 金Fe₄₀Mn₄₀Cr₁₀Co₁₀與 Fe₅₀Mn₃₀Cr₁₀Co₁₀ ， 並 提 出 Fe₄₀Mn₄₀Cr₁₀Co₁₀ 之 變 形 機 制 為 TWIP ， 而 Fe₅₀Mn₃₀Cr₁₀Co₁₀為面心立方堆積與六方最密堆積(Hexagonal Close Packing, HCP) 之多相結構，其變形機制為相變誘導塑性(Transformation-Induced Plasticity, TRIP)， 內容主要為模擬等莫耳 AlCoCrCuFeNi 合金在矽上的退火(annealing)過程，如圖 1.8。

由於此篇文獻使用 LJ 模擬勢能模擬，因此模擬結果不太精確。

Li 於 2016 年成功以原子鑲嵌法勢能(Embedded-Atom Method, EAM)模擬以鋁、

鉻、鐵、銅、鎳組成的五元 AlCrFeCuNi 合金系統(Li et al. 2016a)，此篇文獻的內 容主要為模擬等莫耳 AlCrFeCuNi 合金之拉伸試驗，如圖 1.9，以及分析等莫耳

AlCrFeCuNi 合金之差排、內置型疊差(Intrinsic Stacking Fault, ISF)、外置型疊差 (Extrinsic Stacking Fault, ESF)、孿晶界(Twin Boundary, TB)，如圖 1.10、圖 1.11。

由於此篇文獻以週期性邊界(Periodic Boundary Conditions, PBCs)進行原子尺度之拉 伸模擬，因此無法將高熵合金原子模型拉至斷裂。此篇文獻僅視覺化 AlCrFeCuNi 合金之差排隨應變的變化，並計算高熵合金之差排密度(dislocation density)。此篇 文獻僅視覺化 AlCrFeCuNi 合金之 ISF、ESF、TB 隨應變的變化，並無計算高熵合 金六方最密堆積的比例，也沒有分析高熵合金之相變化(phase transformation)，也沒 有分析高熵合金差排、ISF、ESF、TB 與變形機制，包括：滑移誘導塑性(Slip-Induced Plasticity, SLIP)、TWIP、TRIP 之關聯。

Choi(Choi et al. 2018)於 2018 年成功以修正原子鑲嵌勢能(Modified Embedded-Atom Method, MEAM)模擬以鈷、鉻、鐵、錳、鎳組成的五元等莫耳 Cantor Alloy 系 統，此篇文獻的內容主要為模擬 Cantor Alloy 系統之拉伸試驗、剪力試驗，以及分 析 Cantor Alloy 系統之 TB，如圖 1.12。此篇文獻僅視覺化 Cantor Alloy 系統 TB 隨 應變的變化，並無計算與分析高熵合金差排密度隨應變的變化，也沒有計算高熵合 金六方最密堆積的比例，也沒有分析高熵合金之相變化(phase transformation)，也沒 有分析高熵合金差排、ISF、ESF、TB 與三種變形機制 SLIP、TWIP、TRIP 之關聯。

圖 1.8 搭配 LJ 模擬勢能的分子動力模擬等莫耳 AlCoCrCuFeNi 合金在不同溫度 下退火過程的微觀結構，黃色原子為矽，取自文獻(Xie et al. 2013)

圖 1.9 搭配 EAM 勢能的分子動力模擬等莫耳 AlCrFeCuNi 合金之應力應變曲線 與拉伸過程中的微觀結構，a、b、c、d、e 分別代表應變等於 9.1%、11.7%、

15.2%、18.8%、25%之高熵合金原子模型，取自文獻(Li et al. 2016a)

圖 1.10 搭配 EAM 勢能的分子動力模擬等莫耳 AlCrFeCuNi 合金之差排隨應變的 變化，a、b、c、d、e 分別代表應變等於 9.1%、11.7%、15.2%、18.8%、25%之

高熵合金原子模型，取自文獻(Li et al. 2016a)

圖 1.11 搭配 EAM 勢能的分子動力模擬等莫耳 AlCrFeCuNi 合金之 ESF、ISF、

TB 隨應變的變化，a、b、c、d、e 分別代表應變等於 9.1%、11.7%、15.2%、

18.8%、25%之高熵合金原子模型，取自文獻(Li et al. 2016a)

圖 1.12 搭配 MEAM 勢能的分子動力模擬系統(a)Cantor Alloy 系統原子模型拉伸 示意圖(b)比較等莫耳 CoCrFeMnNi 合金、等莫耳鐵鎳合金、等莫耳鈷鎳合金、純 鎳金屬之應力應變曲線(c)等莫耳 CoCrFeMnNi 合金之 TB 隨應變的變化(d)等莫耳

鐵鎳合金之 TB 隨應變的變化，取自文獻(Choi et al. 2018)