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  2. 馬普所等《Nature》子刊:高熵合金中位錯釘扎的起源!
    2023-01-04 13:50:12 作者:材料基 來源:材料基 分享至:

     單相隨機合金(包括高熵合金(HEA))中的位錯在滑行過程中會反復遇到釘扎作用,導致位錯運動不穩定。雖然溶質-位錯相互作用在傳統合金中已經得到了充分地解釋,但集中隨機合金中單個釘扎點的起源是一個有爭議的問題。


    德國達姆施塔特工業大學、馬普所和韓國成均館大學等單位的研究人員研究了CoCrFeMnNi高熵合金中位錯釘扎的起源。原位透射電子顯微鏡顯示,在外載荷作下,沿著波浪狀和鋸齒狀位錯線運動,并且在肖克萊不全位錯周圍沒有發現明顯地偏析。通過原子模擬再現了急驟的位錯運動,并將重復釘扎與Peierls摩擦的局部波動聯系起來。此工作以“The origin of jerky dislocation motion in high-entropy alloys”為題發表在期刊《Nature Communications》上。

    論文鏈接:
    https://doi.org/10.1038/s41467-022-32134-1

     

     


     

    與通常由單一主元素和低濃度次要元素組成的傳統合金形成對比,高熵和中熵合金(HEAMEA)是一類新型金屬材料,包含多種高濃度元素并形成固溶體。由于熵并不總是決定性的設計參數,屬于集中隨機合金的一個子類。一些HEA的性能優于傳統合金,具有獨特的力學性能組合,例如:高強度和高延展性組合——即使在低溫下。洞悉HEA的高強度起源是材料設計的關鍵,目前關于此學術界仍存在爭議。迄今為止,文獻中探索了四種不同的設計思路:


    • 短程有序(SRO),即原子大小鄰域中的優選有序,會導致傳統合金的強度增加。這種強化機制已被報道用于CoCrNiCantor(CoCrFeMnNi)合金體系)。由于在該體系中觀察到在同一平面上運動地位錯墻,因此有人認為,在平面上滑動的第一個位錯會破壞該平面內的SRO,并促進后續位錯的滑動。另一方面,YinCurtin表明CoCrNi2的非凡強度也可以在不借助SRO的情況下基于固溶強化來解釋。
    • 實際上,在理想隨機合金中也觀察到位錯釘扎和由此產生的強化。Li等人提到,即使在完全隨機的CoCrNi合金中,也存在一些優先排列地原子。在CoCr的作用下,并且打破這些隨機出現的鍵則需要額外的能量實現。
    • 觀察到的HEA堆垛層錯(SF)能量范圍出乎意料的寬,可以為位錯地釘扎提供另一種解釋。透射電子顯微鏡(TEM)實驗和原子模擬中觀察到不同HEA中的波狀位錯線。Li等認為SFE的廣泛范圍會導致能量峰值的出現,其中晶格摩擦會引起局部的增強效果。因此,位錯段需要在滑動時從局部障礙中解除限制。這種機制目前只存在于HEA中,而不存在于傳統的固溶體合金中(在SF能中的局部波動相對較?。?/span>
    • 最后,Varvenne等人開發的固溶強化模型。僅根據失配體積和彈性特性預測HEA中的流動應力。HEA中固溶強化的主導機制是復雜的,因為不可能同時定義不同的基體和溶質原子。在Varvenne模型中假設溶質原子和位錯之間存在Labusch型弱相互作用。則,位錯線在其彈性相互作用范圍內同時與整個溶質場相互作用。然而,這與Fleischer的強釘扎模型相反(每個溶質則對應于位錯線被釘扎的位置)。

     


    在原位TEM應變和原子模擬過程中,Cantor合金中位錯線。

    Shockley部分位錯核周圍STEM EDS組成圖

    圖3 原子Peierls勢壘作為位錯釘扎的描述符:CoCrFeMnNi中的位錯穿過這個釘扎點形貌。

    4 不同合金中原子釘扎點強度的分布及其與位錯滑移和位錯遷移臨界力的關系。

    5 位錯遇到的能量和摩擦力示意圖

    在本項研究中,揭示了多主元素合金中位錯釘扎點的原子起源,從而回答了材料科學和工程界一個長期存在的問題。發現HEA中的強位錯釘扎不需要明顯的SRO,因為GSF曲線局部斜率的增加說明了位錯線的局部釘扎。這種情況與已建立的Peierls模型一致,表明HEA和特定合金容易受到異常Peierls峰高的影響。在研究的合金樣品中,這些變化是高度非線性的,CoCr的相互作用會導致強位錯釘扎點的密度最高。

     

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