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香港大學《Nature》子刊：通過短程有序同時提升高熵合金強塑性！

2021-09-27 15:46:09 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

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

論文鏈接：

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

傳統的金屬合金，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；它們現在被廣泛地稱為復合合金或高熵合金（HEAs）。許多實驗研究表明，HEA的強度和延展性高度依賴于其微/納米結構。理解HEA的結構-性能關系，可以實現合理的HEA設計。

截至目前，研究者已經提出了幾種方法來調整HEA微觀結構，以促進強度-塑性協同，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，Fe50Mn30Co10Cr10或Cr20Mn6Fe34Co34Ni6的雙相FCC/六方緊密堆積（HCP）微觀結構，Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5中相鄰微米級超晶格晶粒之間的納米級無序界面，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的非均相再結晶/再結晶微觀組織，TiZrHfNb的有序氧配合物。

最近，Ding等人合成了FCC CoCrFeNiPd和CoCrFeNiMn HEAs。前者的屈服強度高于后者，拉伸韌性相當。這兩種HEAs的本質區別與原子分離和短程有序（SRO）有關；與CoCrFeNiMn相比，CoCrFeNiPd中兩者均增強。SRO傾向于產生變形/滑移阻力，導致在更有序的CoCrFeNiPd中比在CoCrFeNiMn HEAs中更大的位錯滑移阻力。理論工作表明，強化主要是由于在CoCrFeNi中Pd的原子/錯配體積大。中熵合金（MEAs）中也存在SRO現象。CoCrNi MEA的原子結構表明，Cr有利于Ni和Co鄰居，降低了電導率和導熱率，提高了堆垛錯能和硬度。

MC（蒙特卡洛）/MD（分子動力學）混合模擬，已被證明是探索原子偏析和SRO對MEAs和HEAs力學性能影響的有力工具。眾多模擬結果表明，屈服強度受成核肖克利部分位錯所需應變的控制；LD降低了應力，而SRO增加應力。HEAs的短程有序比MEAs的復雜（隨著HEAs中不同原子對數量的增加），表明HEAs提供了一個更豐富的環境來調節它們的順序和微觀結構，以獲得優異的強度和延展性。這里有幾個問題需要指出，是否有可能在HEAs中引入SRO來提高強度和延展性？如果是，需要什么微觀結構？這些增長背后的機制原因是什么？這些關鍵問題是合理的HEA加工策略和高性能結構金屬合金設計的基礎。

此文中，研究者進行了混合MC/MD模擬，以探索SRO對等原子CoCuFeNiPd HEA力學性能的影響。研究者采用蒙特卡羅方法通過優化SRO來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構/位移并模擬拉伸變形。所有元素對采用Warren-Cowley參數（WCPs）來描述SRO。MC/MD模擬表明，在CoCuFeNiPd HEA中SRO的發展是有利的，這也被DFT計算驗證。這種SRO的特點是，具有廣泛的局部環境/原子-尺度構型。

研究者在該HEA中進行了有和無SRO的MD拉伸變形模擬，結果表明，SRO既提高了HEA的極限強度，也提高了HEA的延性。潛在的變形機制是在極限拉應力之前的相變和在極限拉應力之后的位錯滑移。研究者通過分析FCC和BCC結構（對局部元素濃度敏感）的局部相對穩定性來探索應變誘導的相變。SRO在HEA中提高極限強度和延性的基本機制是由三種類型的簇的機械響應來描述的：無關簇扮演基質的角色，FCC-優選的簇作為硬填料，增強強度；BCC-優選的簇作為軟填料，提高HEA的延展性。

圖1 CoCuFeNiPd HEA在300 K迭代期間的勢能、原子構型和Warren-Cowley參數。

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，進行0,2×106和4×106次迭代后拉伸時的應力-應變曲線、原子構型和相變。

圖3 在300 K時，CoCuFeNiPdHEA在0（0樣品）和2×106 （2 M樣品）迭代時的原子構型、相穩定性和局部結構。

圖4 CoCuFeNiPd HEA中不同相偏好原子的數量分數、元素濃度和空間分布。

圖5 2 M試樣在300 K時加、卸載過程中的平均應力、應力分布、應力-應變曲線和平均應變。

圖6 示意圖說明了通過短程有序同時增強強度和延展性的HEAs設計策略。

綜上所述，研究者進行了迭代MC和MD模擬，來檢驗SRO在CoCuFeNiPd HEA中的演變，并進行MD模擬來研究SRO對力學行為的影響。在SRO形成過程中，一小部分區域轉變為BCC-優選結構（BCC比FCC更穩定），另一部分區域轉變為非常強烈的FCC-優選結構（FCC比BCC更穩定）。由此得到的結構是由邊緣穩定的基體中非常穩定的FCC-優先（FCCP）區域和BCC-優先（BCCP）區域組成的偽復合組織。拉伸變形模擬結果表明，SRO的發展提高了HEA的極限強度和延性。這些增強的來源可以追溯到SRO誘導形成的偽復合組織；這包括邊緣相穩定的基體中的FCCP硬化域和BCCP增韌域。

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