西安交大研究人員揭示體心立方結構高熵合金的特殊位錯動力學機制

2020-12-07 西安交大新聞網

體心立方結構（BCC）金屬及合金作為一類重要的結構材料，自鐵器時代以來就被人類廣泛使用。金屬材料的強度和塑性與內部缺陷位錯的運動密切相關，研究位錯的動力學行為對於揭示材料變形的微觀機制、優化力學性能極為重要。在BCC金屬中，刃型和螺型位錯的運動特徵具有較大差異：刃型位錯滑移阻力非常低，以平滑、快速的方式運動；而螺型位錯的臨界啟動應力較高，其運動速度受限於扭折形核速率，受熱激活過程主導（見附圖）。因此，低應力下螺型位錯的運動速度比刃型位錯低幾個數量級，且普遍認為BCC金屬中諸多力學行為都與螺型位錯的運動直接相關。

近些年興起的高熵合金提出了一種全新的合金設計理念，其由多種元素以等原子比或近等原子比混合而成，打破了傳統合金以一種或兩種元素為主、輔以少量其他元素來改善合金性能的設計理念。BCC高熵合金體系因其優異的力學性能，尤其是潛在的高溫力學性質，得到了人們的廣泛關注。儘管前期對BCC高熵合金的設計和開發開展了大量研究，但相關位錯運動學的研究則開展較少。與傳統金屬和合金不同，高熵合金中存在較為顯著的化學成分波動和局部點陣畸變，必然對位錯的運動將產生重要影響。而對於「傳統主導位錯運動的機制是否仍然適用BCC高熵合金體系」這一基本問題還尚未得到清晰的揭示。

近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室研究人員利用原子模擬技術，選擇BCC結構的Co-Fe-Ni-Ti高熵合金體系，揭示出刃型位錯和螺型位錯不同於傳統BCC金屬的特殊動力學行為（見附圖）。研究發現：在高熵合金中，一方面，化學成分的不均勻分布使得刃型位錯在納米尺度上受到較強的釘扎力，使其不再以平滑、快速的方式，而是以緩慢、不連續的方式運動。另一方面，化學成分起伏將促進螺型位錯扭折的自發形核，但對扭折擴展產生顯著的釘扎作用，導致螺型位錯的運動速度不再受限於扭折形核速率，而受限於扭折擴展速率。由此，BCC高熵合金中刃型和螺型位錯的運動由特殊的激活行為主導，且兩種位錯運動需要克服相近的局部勢壘，表現出相似的動力學特徵，這與傳統BCC金屬存在顯著差異。以上研究成果有助於揭示BCC高熵合金高溫強度和加工硬化等力學性能的微觀起源，對於合金設計也具有重要指導意義。

附圖： (A)-(B) 300K下位錯環在BCC金屬a-Fe與BCC高熵合金Co16.67Fe36.67Ni16.67Ti30中的擴展過程。 (A) 在BCC金屬中，低應力下（400 MPa）刃型位錯相比螺型位錯即具有較高的滑移速度，位錯環擴展由刃型位錯運動主導。 (B) 在BCC高熵合金中，由於局部較強的釘扎作用，位錯環在較高應力下（950 MPa）才能產生明顯滑移，刃型和螺型位錯幾乎同時擴展。(C)-(D) BCC金屬和BCC高熵合金位錯運動速度隨外加應力的變化。(C) 在BCC金屬中，刃型位錯在低應力下速度與應力呈線性關係，高應力時速度趨於飽和；螺型位錯在低應力下速度與應力呈指數關係，高應力下為線性關係。(D) 在BCC高熵合金中，刃型和螺型位錯表現出相似的動力學特徵：當應力低於某個門檻值時，位錯受釘扎作用不能運動，增加應力位錯緩慢、不連續運動，高應力下位錯連續運動。

該研究成果近日以「BCC高熵合金中主導位錯運動的特殊激活機制」為題，發表於國際權威期刊PNAS。西安交通大學李蘇植教授為本文通訊作者，博士生陳冰為第一作者，參與此工作的還有西安交通大學材料學院宗洪祥副教授、丁向東教授以及孫軍教授等。西安交通大學為本文的第一作者單位和通訊作者單位。

該研究得到了國家自然科學基金等項目的共同資助，相關計算在西安交通大學校級高性能計算平臺上完成。

論文連結：https://www.pnas.org/content/early/2020/06/25/1919136117

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