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  • 《Nature Commun》:难熔高熵合金的位错运动及化学短程有序

    作者:admin发表时间:2022-05-09

      难熔高熵合金(RHEAs)是为高温强度而设计的,边缘位错和螺旋位错对塑性变形起着重要作用。然而,它们在化学短程有序(SRO)中也显示出显著的能量驱动力。

      近年来,高熵合金(HEAs)作为一种含多种主合金元素的金属合金引起了广泛的研究兴趣,对其微观组织、力学性能和变形机制进行了大量的研究。例如,作为一种新型结构材料,某些面心立方(fcc)合金,特别是基于CrCoNi的HEAs,已经被证明具有更高的强度和特殊的损伤容限,尤其是在低温下。

      另一类主要的HEA系统是难熔的高熵合金(RHEAs),它主要由难熔元素组成,并且总是以体心立方(bcc)固溶体的形式结晶;这些合金由于其优异的抗软化性和极高的熔点,被认为是高温应用的有前途的候选材料。尽管由于RHEAs的脆性和氧化敏感性,在其加工过程中仍然存在许多实际挑战,但许多RHEAs已经被设计、制造和实验评估,并通过计算方法获得了额外的见解。透射电镜研究表明,随着塑性应变的增加,螺旋位错占主导地位,并通过原位扫描电镜实验观察到高阶面滑移活性;事实上,在这些浓缩的固溶合金中,普遍发现了强的本征晶格电阻。目前,研究者建立了螺旋位错在RHEAs中强化的理论模型,并采用分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)计算进行了位错性质的原子模拟。最近,中尺度模型,如动力学蒙特卡罗模型,也被开发来研究RHEAs的增强。然而,与纯基底bcc金属相比,对基底bccRHEAs独特的变形行为的研究还很有限。

      虽然HEAs具有晶体有序,但成分无序,它们不一定是每个原子物种的随机固溶体。具体来说,HEAs的一个特征是存在局部化学短程有序(SRO)的可能性,这可以影响缺陷的运动,从而可能影响力学性能。在以往的研究中发现,在fcc或hcp合金中,SRO效应可以改变位错的形态,即由波状变为平面状,并可能影响孪晶。最近的实验结果,为某些fcc HEAs中SRO的存在及其与力学性能的关系,提供了直接的证据。此外,对于MoNbTaW等RHEAs,数值研究揭示了SRO的一个重要的能量驱动力。因此,这种SRO的影响是一个相关的问题,需要进一步研究单相bcc-RHEA固溶体。

      此文中,研究者利用基于高精度机器学习原子间势的广泛分子动力学模拟,研究了体心立方MoNbTaW RHEA中螺旋位错和边缘位错在宽温度范围内的移动机制。此外,研究者还特别评估了SRO的存在对这些机制的影响。SRO的存在增强了边位错的迁移率,而螺旋位错运动中双扭形核的速率降低了,尽管这种影响在温度升高时减弱了。在不考虑SRO的情况下,在螺旋运动中观察到交叉滑移锁定机制,这为耐火高熵合金系统提供了额外的强化。

      综上所述,研究者建立了双扭结机制下螺旋位错移动的唯象模型,揭示了螺旋位错运动的温度依赖SRO效应的起源;这一机制源于SRO对扭结对成核的自由能垒的贡献。随着温度的升高,在纯bcc金属和MoNbTaW RHEA中都发现了边-螺速度比的降低。

      这些结果表明,温度和局部化学有序对RHEAs中边缘和螺旋位错运动机制有显著的影响,这些机制对RHEAs的力学性能有显著影响。(文:水生)

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