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西安交大《Acta》：發(fā)現(xiàn)沖擊壓縮高熵合金的異常位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)！

2021-04-07 15:06:41 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文利用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究了bcc高熵合金（HEAs）壓縮前后的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。與bcc元素金屬相比，在沖擊壓縮TiZrNb和NiCoFeTi HEAs中發(fā)現(xiàn)了具有高穩(wěn)定性的異常“擴(kuò)展”刃位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（6~8伯氏矢量）。獨(dú)特的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加快，從而抑制了變形孿晶的早期成核。結(jié)合連續(xù)彈性理論，表明 “擴(kuò)展”位錯(cuò)結(jié)構(gòu)可以歸因于存在的低彈性穩(wěn)定性的局部結(jié)構(gòu)，這是由納米尺度的化學(xué)非均勻性所賦予的。

位錯(cuò)對(duì)于理解材料的機(jī)械性能至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊憦?qiáng)度和塑性變形。連續(xù)彈性理論很好地描述了長度尺度超過幾個(gè)晶格間距的位錯(cuò)的長程彈性應(yīng)變，但它在位錯(cuò)中心周圍的區(qū)域（稱為位錯(cuò)核心）中發(fā)生了分解，在該區(qū)域應(yīng)變場中出現(xiàn)奇異點(diǎn)。在這個(gè)核心區(qū)域中，位錯(cuò)在滑移平面上產(chǎn)生了原子位移的異質(zhì)分布。由于位錯(cuò)在許多與晶體塑性有關(guān)的現(xiàn)象中起著重要的作用，人們對(duì)在原子尺度上準(zhǔn)確描述位錯(cuò)核結(jié)構(gòu)很感興趣。

過去，在準(zhǔn)靜態(tài)或低應(yīng)變率加載條件下，已經(jīng)投入了相當(dāng)大的努力來揭示位錯(cuò)核結(jié)構(gòu)。在極端動(dòng)態(tài)壓縮下，位錯(cuò)活動(dòng)仍然很重要。然而，我們對(duì)核心結(jié)構(gòu)的理解還很不完整。高剪切應(yīng)變率或應(yīng)力是影響核心結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出因素。鐵中的螺位錯(cuò)核心受到高應(yīng)力時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性，例如，隨著應(yīng)力水平的增加，它們經(jīng)歷從平滑運(yùn)動(dòng)到粗糙運(yùn)動(dòng)到孿晶成核的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究還表明，如果位錯(cuò)以高速度產(chǎn)生并受到高剪切應(yīng)力，鎢中的刃位錯(cuò)芯可以在跨音速和超音速區(qū)域穩(wěn)定移動(dòng)。

動(dòng)態(tài)壓縮下的壓力也會(huì)對(duì)位錯(cuò)核心產(chǎn)生直接影響。首先，位錯(cuò)核心的穩(wěn)定性會(huì)隨著從一個(gè)階段到另一個(gè)階段的轉(zhuǎn)變而改變。其次，取決于壓力，可以促進(jìn)位錯(cuò)位移（例如，通過降低Peierls應(yīng)力）或阻止位錯(cuò)位移。另外，施加的壓力將改變材料的彈性，即彈性常數(shù)。在大多數(shù)情況下，壓力趨于使材料變硬，并且與位錯(cuò)相關(guān)的應(yīng)變場將與零壓力情況不同。綜合考慮，這些因素會(huì)影響位錯(cuò)核心，從而影響材料在沖擊壓縮下的可塑性。

最近，高熵合金（HEA）或復(fù)雜的濃縮合金已成為一種相對(duì)較新的材料類別，由于其獨(dú)特的成分，結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能已吸引了廣泛的關(guān)注。等原子比或接近等原子比的多個(gè)主要元素使HEAs形成具有高濃度組成元素的簡單單相結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的固溶強(qiáng)化稀合金中不存在溶質(zhì)原子，高濃度的組成元素是不存在的。這種集中的濃度/結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致了位錯(cuò)線的波動(dòng)和位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)的變化，從而增加了控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需應(yīng)力的能壘。在bcc HEAs中，螺位錯(cuò)的遷移率異常接近刃位錯(cuò)，因?yàn)槿形诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)在局部成分波動(dòng)晶格中是速率控制的。但是，這種理解取決于環(huán)境壓力下的準(zhǔn)靜態(tài)載荷情況。在存在大的峰值應(yīng)力，高應(yīng)變率和由于沖擊而產(chǎn)生的顯著的非彈性應(yīng)變的情況下，位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)可能不同于在更長的時(shí)間尺度或更準(zhǔn)靜態(tài)條件下觀察到的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)。

在這項(xiàng)工作中，西安交通大學(xué)丁向東教授課題組使用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬來研究bcc HEAs的沖擊響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)以高遷移率提高了位錯(cuò)的穩(wěn)定性，從而提高了高應(yīng)變速率下的可塑性。作者發(fā)現(xiàn)異常位錯(cuò)行為可以歸因于HEAs中納米級(jí)化學(xué)異質(zhì)性引起的具有低彈性穩(wěn)定性的局部結(jié)構(gòu)的存在。它為我們提供了新的方向，以了解多成分固溶對(duì)極端動(dòng)態(tài)壓縮下塑性變形機(jī)制的影響。相關(guān)研究成果以“Anomalous dislocation core structure in shock compressed bcchigh-entropy alloys”發(fā)表在期刊“Acta Materialia”

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https：//doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116801

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作者設(shè)計(jì)了兩類bcc材料，一種是元素金屬，另一種包含3種或4種主要元素的HEAs，以使我們能夠比較位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。我們的模擬結(jié)果表明，納米級(jí)化學(xué)異質(zhì)性可以使bcc HEAs具有異常擴(kuò)展的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和在沖擊壓縮下的獨(dú)特塑性變形行為。

圖1 壓力與體積的狀態(tài)方程（EOS）曲線。Nb和Mo的實(shí)驗(yàn)觀察來自DAC實(shí)驗(yàn)。EAM電位數(shù)據(jù)與60GPa以下的元素金屬（Mo，Nb）的實(shí)驗(yàn)測量和DFT計(jì)算非常吻合。對(duì)于bcc TiZrNb HEA，EAM數(shù)據(jù)（紫色圓圈）與我們對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的原子間勢模型（紫色虛線）的預(yù)測一致。

圖2 速度為450 m/s的沖擊壓縮下TiZrNb HEAs的非平衡MD模擬（a）通過中心對(duì)稱參數(shù)提取的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的演變。（b）沿樣品深度在8、12和16 ps時(shí)的縱向和切應(yīng)力曲線。穩(wěn)定的壓力-位置或應(yīng)力-位置分布顯示出雙波結(jié)構(gòu)的特征。

圖3 bcc NiCoFeTi和TiZrNb HEAs波前的典型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。原子結(jié)構(gòu)由公共近鄰分析（CNA）識(shí)別，藍(lán)色：bcc，白色：缺陷。紅線表示移動(dòng)位錯(cuò)的輪廓。插圖顯示了相應(yīng)的納米孿晶核在最高沖擊速度下的放大。

圖4 具有前位錯(cuò)環(huán)的TiZrNb樣品在沖擊波前沿的位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)。活塞速度為350 m/s，（a）和（b）分別為激波前緣掃掠前后位錯(cuò)分析（DXA）特征的位錯(cuò)剖面。（c）位錯(cuò)線在（b）中橙色方框中的原子結(jié)構(gòu)。原子用公共近鄰分析（CNA）著色，藍(lán)色為bcc，白色為缺陷。

圖5 在元素金屬（Nb：紅色圈，Mo：橙色圈）和bcc HEAs （NiCoFeTi：藍(lán)色圈，TiZrNb：綠色圈，TiZrNb時(shí)效：黃色圈）中位錯(cuò)核寬度隨沖擊速度的變化。采用隨機(jī)固溶法制備NiCoFeTi和TiZrNb樣品，而TiZrNb時(shí)效則顯示TiZrNb樣品具有局部化學(xué)短程有序性。不確定度顯示為誤差棒。

圖6 bcc TiZrNb HEA中塑性波前的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制。虛線表示滑移前的彎曲位錯(cuò)，而紅色實(shí)線表示滑移后位錯(cuò)線的狀態(tài)。這表明在TiZrNb HEA中的位錯(cuò)滑移是通過位錯(cuò)片段的捕獲-脫附實(shí)現(xiàn)的。紅色箭頭指出局部脫附。

圖7 θ的概率分布是激波速度的函數(shù)，其中θ<l，b< sub=“”></l，b<>是局部位錯(cuò)線與伯氏矢量之間的夾角。（a）比較不同沖擊強(qiáng)度下Nb和TiZrNb的位錯(cuò)形貌，其分布不同：Nb：藍(lán)色陰影區(qū)，TiZrNb：紅色陰影區(qū)。黑色曲線為Nb和TiZrNb的初始位錯(cuò)形態(tài)。（b）在650 m/s沖擊速度下，隨機(jī)固溶和局部化學(xué)短程有序（SRO）處理時(shí)，TiZrNb HEAs的位錯(cuò)形態(tài)。

圖8機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢（MLIP）的性能。通過DFT和MLIP計(jì)算得到彈性常數(shù)（a）和層錯(cuò)能（b）。（c） MLIP-MD模擬450m /s沖擊波加載的位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)。原子被公共近鄰分析（CNA）著色，藍(lán)色：bcc，白色：缺陷。紅線表示運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的輪廓。

圖9 bcc單晶中刃位錯(cuò)結(jié)構(gòu)與位錯(cuò)移動(dòng)的關(guān)系。（a） X、Y、Z分別對(duì)應(yīng)[1 1 1]、[`1 1 0]和[1 1`2]方向的仿真模型示意圖。（b） Nb和TiZrNb的位錯(cuò)速度隨剪切應(yīng)力的變化。（c）和（d）表示移動(dòng)位錯(cuò)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。原子通過公共近鄰分析（CNA）著色，綠色表示fcc，橙色表示hcp，藍(lán)色表示bcc，其他表示缺陷結(jié)構(gòu)。紅線表示位錯(cuò)的位置和輪廓。

圖10 bcc單質(zhì)金屬（Nb）和HEA （TiZrNb）中運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的原子結(jié)構(gòu)。（a）移動(dòng)刃位錯(cuò)在不同剪應(yīng)力下的穩(wěn)定性。插圖顯示了微孿晶形核的結(jié)晶學(xué)特征。原子是根據(jù)它們的勢能來著色的。（b） TiZrNb HEA中亞聲速位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)演變。位錯(cuò)分解成兩個(gè)部分圖片[1 1 1]（孿晶部分）和（“無柄”部分）圖片[1 1 1]。原子是由公共近鄰分析（CNA）著色的，綠色代表fcc，橙色代表hcp，藍(lán)色代表bcc，其他代表缺陷。

圖11 能量輻射對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)的依賴性。當(dāng)位錯(cuò)移動(dòng)速度接近禁帶速度時(shí)，Nb中的能量輻射率（GR）增大。在TiZrNb HEA中，整個(gè)亞聲速區(qū)域的能量輻射都很高。

圖12 （a）不同元素金屬（Mo、Nb）和HEAs （TiZrNb、NiCoFeTi）的層錯(cuò)能熱圖。顏色條顯示了局部SFE的大小，單位為mJ/m2。（b）位錯(cuò)核相圖及局部剪切模量（Gatom）空間分布。虛線將空間劃分為兩個(gè)區(qū)域：局部剪切模量小的擴(kuò)展核心區(qū)域和剪切模量大的致密核心區(qū)域。顏色強(qiáng)度代表局部剪切模量的統(tǒng)計(jì)分布。

綜上所述，bcc TiZrNb和NiCoFeTi HEAs均表現(xiàn)出擴(kuò)展的刃位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)主導(dǎo)了沖擊前沿的塑性變形。在原子水平上，位錯(cuò)以一種緩慢的方式滑移，這是位錯(cuò)小段的捕獲-脫附的結(jié)果；在高應(yīng)變速率下，擴(kuò)展型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定，在跨聲速區(qū)域內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)較快，而傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為高強(qiáng)沖擊壓縮有利于孿晶早期形核；

將沖擊壓縮下的異常位錯(cuò)結(jié)構(gòu)歸因于HEAs中納米級(jí)化學(xué)非均勻性所造成的局部結(jié)構(gòu)的低彈性穩(wěn)定性。由于納米尺度的化學(xué)非均質(zhì)性在不同的固溶濃縮合金中廣泛存在，我們的研究結(jié)果有望應(yīng)用于一般的bcc HEAs。

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