金屬頂刊：晶格畸變和化學短程序對中熵合金變形機理的影響

2020-09-03 材料material

隨著對中、高熵合金研究的開展，它們的優異力學性能在逐步被揭示，與之相關的材料局部原子化學環境和複雜的化學漲落所起作用也受到越來越多的關注。儘管已有充分的實驗研究和模擬計算結果表明晶格畸變（lattice distortion）和化學短程有序（chemical short-range order）確實存在於中、高熵合金當中且對材料性能有重要影響，兩者在材料變形的不同階段各自產生的作用仍缺乏系統的研究和解釋。


近日，美國加州大學聖芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授課題組與華南理工大學姚小虎教授課題組開展合作,使用大規模分子動力學（MD）、動態蒙特卡羅（MC）和晶體結構缺陷分析方法,對中熵合金CoCrNi中晶格畸變(LD)和化學短程有序(CSRO)在位錯成核與擴展以及變形孿晶演化過程所產生的作用進行研究。通過對比相同加載條件下，CoCrNi合金與假想的平均原子（Average-atom）模型在變形響應上的差異，從原子尺度揭示了晶格畸變和化學短程序對單晶和多晶FCC中熵合金屈服強度與位錯形核傾向的影響，系統闡述了孿晶形成和湮滅機理，討論並總結了引入層錯和孿晶對材料塑性變形機制產生的作用。相關研究成果以「Effects of lattice distortion and chemical short-range order on the mechanisms of deformation in medium entropy alloy CoCrNi」為題發表在金屬材料領域頂刊《Acta Materialia》。加州大學聖芭芭拉分校博士生簡武榮和華南理工大學博士生謝卓成為共同第一作者，合作作者還包括加州大學聖芭芭拉分校的Shuozhi Xu博士以及Yanqing Su博士。


論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.044

為了將晶格畸變和化學短程序的影響區分討論，研究者在構建具有不同化學短程有序度的CoCrNi中熵合金（MEA）以外，還獲得了總體材料性能等效於隨機CoCrNi合金的平均原子模型。由於該模型由一種代表了Co、Cr、Ni三種原子平均屬性的假想原子構成，因此不存在本徵的晶格畸變和化學短程序，可作為CoCrNi合金的對照材料，有利於分別揭示晶格畸變和化學短程序的影響。低溫和常溫下的拉伸模擬結果表明，晶格畸變可以降低材料的彈性模量以及肖克雷不全位錯（Shockley partial）成核的臨界應變（圖1）。在所有含化學短程序的單晶CoCrNi中，不全位錯傾向於在CoCr團簇內成核（圖2）。與隨機分布的CoCrNi和Ni區域相比，CoCr團簇具有最高的剪切應變和最低的不穩定層錯能（圖3）。同時，由於較嚴重的晶格畸變促進位錯成核，而晶格畸變和化學短程序都增加了位錯移動的阻力，低溫下納米孿晶在MEA中比在平均原子模型中更普遍（圖1(e)-(h)）。


圖1.(a)-(d)單晶隨機CoCrNi合金和平均原子模型在1K下的拉伸應力-應變曲線；(e)-(h)對應的孿晶界密度和層錯密度；(i)-(l)對應的各類位錯密度；(m)-(p)應力-應變曲線在B,D,F,H時刻對應的原子構型。


圖2.(a)-(c)分別經過350K、950K退火處理的CoCrNi合金和原子隨機分布的CoCrNi合金在1K加載下的原子構型（紫色原子為CoCr團簇顯著聚集區域，紅色原子為HCP原子）。


圖3. (a)拉伸過程中CoCr團簇的分布；(b)剪應變場分布；(c)單晶Ni，CoCr和隨機CoCrNi的層錯能曲線。


與單晶中熵合金不同，多晶中熵合金在晶界作為有效位錯成核源的基礎上，通過晶格畸變和化學短程序對位錯移動的阻力，可獲得更高的拉伸強度（圖4）。除此以外，引入孿晶既可以為位錯提供成核及滑移面，又能成為位錯滑移的有效障礙，使得材料內部形成高密度的位錯塞積（圖5），進一步提升材料的強度。


圖4.多晶CoCrNi合金和平均原子模型(a)1K下和(b)300K下的拉伸應力-應變曲線；(c)材料的極限拉伸強度。


圖5.經350K退火處理的(a)多晶、(b)引入層錯和(c)引入孿晶的CoCrNi合金在加載過程中位錯和孿晶的分布情況。


上述發現系統闡明了晶格畸變和化學短程有序在FCC中熵合金變形中的重要作用，討論了這兩種因素對於位錯以及孿晶演變過程的影響，對理解合金中複雜化學環境對材料性能的影響以及設計新型優異多主元合金具有重要價值和意義。


*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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