{首页主词},&

香港大學(xué)《Nature》子刊：通過(guò)短程有序同時(shí)提升高熵合金強(qiáng)塑性！

2021-09-27 15:46:09 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

將金屬和合金的強(qiáng)度和延展性同時(shí)提升，一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在此，來(lái)自香港大學(xué)、美國(guó)田納西大學(xué)、新加坡高性能計(jì)算研究所等單位研究者，采用蒙特卡羅方法、分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了CoCuFeNiPd高熵合金（HEA）。相關(guān)論文以題為“Simultaneously enhancing the ultimate strength and ductility of high-entropy alloys via short-range ordering”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25264-5

傳統(tǒng)的金屬合金，通常由一或兩種主要元素與少量添加的其他元素組成（如鈦合金、鎂合金和鋁合金）。2004年，Yeh等人和Cantor等人提出了一類合金，其包含5種或5種以上的金屬元素的原子濃度相等或接近相等；它們現(xiàn)在被廣泛地稱為復(fù)合合金或高熵合金（HEAs）。許多實(shí)驗(yàn)研究表明，HEA的強(qiáng)度和延展性高度依賴于其微/納米結(jié)構(gòu)。理解HEA的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)合理的HEA設(shè)計(jì)。

截至目前，研究者已經(jīng)提出了幾種方法來(lái)調(diào)整HEA微觀結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)強(qiáng)度-塑性協(xié)同，例如：修飾包括在面心立方（FCC）（FeCoNi）86-Al7Ti7或Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2中引入Ll2金屬間化合物納米析出物，F(xiàn)e50Mn30Co10Cr10或Cr20Mn6Fe34Co34Ni6的雙相FCC/六方緊密堆積（HCP）微觀結(jié)構(gòu)，Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5中相鄰微米級(jí)超晶格晶粒之間的納米級(jí)無(wú)序界面，層狀共晶AlCoCrFeNi2.1，顆粒間有B2析出相，體心四方納米析出相為體心立方（BCC） Ti38V15Nb23Hf24，Al0.1CoCrFeNi的非均相再結(jié)晶/再結(jié)晶微觀組織，TiZrHfNb的有序氧配合物。

最近，Ding等人合成了FCC CoCrFeNiPd和CoCrFeNiMn HEAs。前者的屈服強(qiáng)度高于后者，拉伸韌性相當(dāng)。這兩種HEAs的本質(zhì)區(qū)別與原子分離和短程有序（SRO）有關(guān)；與CoCrFeNiMn相比，CoCrFeNiPd中兩者均增強(qiáng)。SRO傾向于產(chǎn)生變形/滑移阻力，導(dǎo)致在更有序的CoCrFeNiPd中比在CoCrFeNiMn HEAs中更大的位錯(cuò)滑移阻力。理論工作表明，強(qiáng)化主要是由于在CoCrFeNi中Pd的原子/錯(cuò)配體積大。中熵合金（MEAs）中也存在SRO現(xiàn)象。CoCrNi MEA的原子結(jié)構(gòu)表明，Cr有利于Ni和Co鄰居，降低了電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率，提高了堆垛錯(cuò)能和硬度。

MC（蒙特卡洛）/MD（分子動(dòng)力學(xué)）混合模擬，已被證明是探索原子偏析和SRO對(duì)MEAs和HEAs力學(xué)性能影響的有力工具。眾多模擬結(jié)果表明，屈服強(qiáng)度受成核肖克利部分位錯(cuò)所需應(yīng)變的控制；LD降低了應(yīng)力，而SRO增加應(yīng)力。HEAs的短程有序比MEAs的復(fù)雜（隨著HEAs中不同原子對(duì)數(shù)量的增加），表明HEAs提供了一個(gè)更豐富的環(huán)境來(lái)調(diào)節(jié)它們的順序和微觀結(jié)構(gòu)，以獲得優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。這里有幾個(gè)問(wèn)題需要指出，是否有可能在HEAs中引入SRO來(lái)提高強(qiáng)度和延展性？如果是，需要什么微觀結(jié)構(gòu)？這些增長(zhǎng)背后的機(jī)制原因是什么？這些關(guān)鍵問(wèn)題是合理的HEA加工策略和高性能結(jié)構(gòu)金屬合金設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

此文中，研究者進(jìn)行了混合MC/MD模擬，以探索SRO對(duì)等原子CoCuFeNiPd HEA力學(xué)性能的影響。研究者采用蒙特卡羅方法通過(guò)優(yōu)化SRO來(lái)交換不同類型的原子以降低合金的能量，采用MD方法放松局部原子結(jié)構(gòu)/位移并模擬拉伸變形。所有元素對(duì)采用Warren-Cowley參數(shù)（WCPs）來(lái)描述SRO。MC/MD模擬表明，在CoCuFeNiPd HEA中SRO的發(fā)展是有利的，這也被DFT計(jì)算驗(yàn)證。這種SRO的特點(diǎn)是，具有廣泛的局部環(huán)境/原子-尺度構(gòu)型。

研究者在該HEA中進(jìn)行了有和無(wú)SRO的MD拉伸變形模擬，結(jié)果表明，SRO既提高了HEA的極限強(qiáng)度，也提高了HEA的延性。潛在的變形機(jī)制是在極限拉應(yīng)力之前的相變和在極限拉應(yīng)力之后的位錯(cuò)滑移。研究者通過(guò)分析FCC和BCC結(jié)構(gòu)（對(duì)局部元素濃度敏感）的局部相對(duì)穩(wěn)定性來(lái)探索應(yīng)變誘導(dǎo)的相變。SRO在HEA中提高極限強(qiáng)度和延性的基本機(jī)制是由三種類型的簇的機(jī)械響應(yīng)來(lái)描述的：無(wú)關(guān)簇扮演基質(zhì)的角色，F(xiàn)CC-優(yōu)選的簇作為硬填料，增強(qiáng)強(qiáng)度；BCC-優(yōu)選的簇作為軟填料，提高HEA的延展性。

圖1 CoCuFeNiPd HEA在300 K迭代期間的勢(shì)能、原子構(gòu)型和Warren-Cowley參數(shù)。

圖2 CoCuFeNiPd HEA在在300 K（0,2和4 M樣品）下，在300 K和1200 K的張力下，進(jìn)行0,2×106和4×106次迭代后拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、原子構(gòu)型和相變。

圖3 在300 K時(shí)，CoCuFeNiPdHEA在0（0樣品）和2×106 （2 M樣品）迭代時(shí)的原子構(gòu)型、相穩(wěn)定性和局部結(jié)構(gòu)。

圖4 CoCuFeNiPd HEA中不同相偏好原子的數(shù)量分?jǐn)?shù)、元素濃度和空間分布。

圖5 2 M試樣在300 K時(shí)加、卸載過(guò)程中的平均應(yīng)力、應(yīng)力分布、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和平均應(yīng)變。

圖6 示意圖說(shuō)明了通過(guò)短程有序同時(shí)增強(qiáng)強(qiáng)度和延展性的HEAs設(shè)計(jì)策略。

綜上所述，研究者進(jìn)行了迭代MC和MD模擬，來(lái)檢驗(yàn)SRO在CoCuFeNiPd HEA中的演變，并進(jìn)行MD模擬來(lái)研究SRO對(duì)力學(xué)行為的影響。在SRO形成過(guò)程中，一小部分區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC-優(yōu)選結(jié)構(gòu)（BCC比FCC更穩(wěn)定），另一部分區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅?qiáng)烈的FCC-優(yōu)選結(jié)構(gòu)（FCC比BCC更穩(wěn)定）。由此得到的結(jié)構(gòu)是由邊緣穩(wěn)定的基體中非常穩(wěn)定的FCC-優(yōu)先（FCCP）區(qū)域和BCC-優(yōu)先（BCCP）區(qū)域組成的偽復(fù)合組織。拉伸變形模擬結(jié)果表明，SRO的發(fā)展提高了HEA的極限強(qiáng)度和延性。這些增強(qiáng)的來(lái)源可以追溯到SRO誘導(dǎo)形成的偽復(fù)合組織；這包括邊緣相穩(wěn)定的基體中的FCCP硬化域和BCCP增韌域。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。