1.2多主元合金的定义

多主元高熵合金由5种及其以上的主要元素组成，每种元素的摩尔含量均高于5%而低于35%。而对于高熵合金来说，混合熵在其中起着至关重要的作用。在热力学中，熵是代表混乱度的一个参数，一个系统的熵值随着系统的混乱度增大而增大[2]。高熵合金的混合熵的计算以原子排列的混合熵为主，而其他因素如电子组态、原子振动组态、磁矩组态等对物质系的影响较小从而可以忽略不计[3]。

根据玻尔兹曼熵的计算公式：S=klnΩ，熵值取决于体系的混乱程度。当各种元素以等原子比混合时，其混合熵的计算公式：ΔS=Rln(n)，其混合熵ΔS值随元素种类数量的增加而增加。当n=2时，ΔS=0.693R；当n=3时，ΔS=1.10R；当n=5时，ΔS=1.61R。因此由于传统合金一般主元素为1种，其混合熵便小于0.693R每摩尔。为了与传统和金区分出来，一般人为的定义高熵合金的主要元素不少于5种。如果将合金以混乱度来区分的话，可分为高熵、中熵、低熵合金。一般的传统合金由于其只有1种主元素被归于低熵合金。而介于高熵合金的5种和低熵合金的2种之间的合金便是中熵合金。

1.3多主元合金的特点

高熵效应：热力学中认为系统的混乱度或熵的增加会使系统的自由能降低从而趋于稳定。而过去对传统合金的研究发现，当合金中元素的种类较多时，会产生大量的金属间化合物，因而导致合金材料力学性能的下降。根据Gibbs相律，n种元素的合金系统产生平衡相的数目p=n+1[4],非平衡时凝固形成的相p＞n+1。而多主元高熵合金中的现象却与这一规律不相符，多主元合金这类由多种元素组成的合金在凝固后没有像传统合金一样，生成大量的金属间化合物，反而更倾向于产生如面心立方、体心立方等简单的晶体结构，甚至非晶体结构。这些现象被归结为高熵效应的作用，即：由于形成合金的元素较多使得形成高熵合金的混合熵要大于形成金属间化物的熵，从而抑制了系统中金属间化物的形成，促进元素间形成简单晶体结构。这样形成的具有单晶体结构的合金具有许多优良的特殊的性能[5]。

迟滞扩散效应：原子的扩散决定相变，不同相的平衡分离需要依靠各组元之间的协同扩散。这种扩散会降低高熵合金中的有效扩散速率，导致相分离的节点从高温区间被延迟到低温区间。这对高熵合金在凝固后形成的固溶体结构有明显的固溶强化作用，大大增强合金的硬度和机械性能。

纳米析出：高熵合金易析出纳米晶体颗粒，这种结构很大程度上影响着合金材料的物理、化学性能。

晶格扭曲效应：由于高熵合金含有多种元素，各种元素原子半径大小相差较大，这在结晶之后会造成晶格的严重扭曲，而严重的晶格扭曲必然会影响到材料的性能如力学、电学、等效应。性能上的“鸡尾酒”效应：高熵合金中的各种元素都会对合金的性能产生各自的影响，如同鸡尾酒一般独立存在。每种元素产生的影响都会与其他元素对材料的影响复合，从而可以使得高熵合金可以通过加入特定的元素来获得所需的性能。

高强度和高硬度：由于高熵合金大多以体心立方、面心立方等简单结构存在，由于组成元素的差异较大，固溶强化作用明显，使得高熵合金具有高的强度和硬度。实验表明高熵合金在铸态便能达到传统合金经过热处理后才能达到的硬度。

高热稳定性：由于高熵合金的高混乱度，使得高熵合金一直处于一个热稳定状态。系统高温时的混乱度更大而具有高的扩散激活能，从而阻碍扩散。因此高熵合金具有高的热稳定性。研究发现高熵合金在1000℃退火后炉冷没有出现传统和金常见的回火软化现象。