高熵合金（HEAs）是具有非稀釋溶質濃度的多組分合金，保留了單相結構。各種高熵合金具有令人印象深刻的機械性能，如室溫下的高屈服強度、高極限強度、高延展性和/或高斷裂韌性。隨著人們對此類復雜合金冶金學興趣的增加，強化機理研究已成為一個研究課題。有人提出了一個通用理論模型，用于預測 FCC 和 BCC HEA 隨溫度和應變速率變化的屈服強度。該理論假定，溶質-位錯相互作用驅使位錯變成波浪形，以便在局部溶質排列中找到局部有利的波動，將位錯段固定在這些局部環境中。然后，需要結合解析剪應力和溫度來產生熱激活位錯滑行和體積塑性流動。隨機 FCC 和 BCC 合金的理論在許多不同的合金體系中都顯示出良好的一致性，并經過簡化，提供了易于應用于新合金或設計新合金的解析公式。最近提出了一種具有短程有序（SRO）的多組分非稀釋合金強化理論。該理論預測，除了眾所周知的熱強化外，SRO 對溶質-位錯相互作用也有顯著影響，相對于隨機合金，它可以降低或提高強度。

來自瑞士洛桑聯邦理工學院的學者在二元鈮鎢合金模型中進行了精心設計的原子模擬，以證明由于溶質-位錯相互作用而產生的合金強度可以增加或減少，這取決于 SRO，并與理論預測一致。具體來說，在具有極小真實溶質-溶質相互作用的合金體系中，使用虛構的溶質-溶質相互作用引入 SRO，然后使用裸彈帶（NEB）方法計算各種 SRO 水平下邊緣位錯運動的能量勢壘。當 Warren-Cowley SRO 參數為負值（不同溶質的吸引力）時，能壘和合金強度都會降低。同一體系的理論預測與模擬結果在數量上保持了合理的一致。這些研究結果表明，SRO 有可能會降低強度，這一點出乎意料，同時也進一步驗證了分析理論作為合金設計指導工具的有效性。相關工作以題為“Atomistic simulations reveal strength reductions due to short-range order in alloys”的研究性文章發表在Acta Materialia 。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119471

圖 1. (a) 用 EAM 電位計算的鈮鉭鎢合金族中濃度為 50%-50%的二元合金的絕對錯配體積。(b) 用 EAM 電位計算的 BCC MoNbTaW 系列的有效對電位 V^eff_pq 與歸一化 rth 近鄰對分離 d_r 的有效對電位與歸一化近鄰對間隔的函數關系。

圖 2. (a) 和 (b) 顯示平均原子NbW 合金中 Nb 溶質和 W 溶質的溶質-邊緣位錯相互作用能量 Uⁿ _sd,i。(c) 和 (d) 顯示 Nb 和 W 溶質的溶質-邊緣位錯相互作用 Uⁿ_sd,i的彈性估計值。(e) 和(f) 顯示殘余化學Uⁿ _chem相互作用。

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圖 3. 不同 x⁽¹⁾ 值的蒙特卡羅模擬計算得出的兩種不同元素（本文中為 W 和 Nb）之間的 SRO 參數（4 個樣本的平均值和標準偏差），作為歸一化 r-最近鄰對分離度的函數

圖 4. 平均強化應力τ_A直接原子模擬和使用 4 個近鄰對的 SRO 進行的理論預測。相應的 SRO 參數如圖 3 所示。

圖 5. (a) 在 x⁽¹⁾=1.3 條件下，蒙特卡羅模擬生成的位錯通過一個帶有 SRO 的模擬單元時的能量分布與位置關系。最小值和最大值分別標為紅色和藍色。標號對應上圖所示的差排構型。(b) 位錯位置 1 和 2 之間的原子構型和 NEB 計算示意圖。

圖 6. 位錯在 +x 和 -x 方向滑行的能量勢壘累積概率分布，以惰性 x⁽¹⁾=0.8 產生的 SRO 系統為例。平均強化效應會使 +x 方向上的勢壘偏小，通過平均兩個方向上的勢壘，可以消除這種效應。

圖 7. 能量勢壘 ΔE_b與 SRO 程度的累積概率分布，由韌度和第一相鄰 WC SRO參數表征。x⁽¹⁾=1.0 相當于隨機合金。

本研究對帶有 SRO 的 BCC 合金中邊緣位錯滑移的障礙進行了詳細的原子研究。SRO 的一種強化效應是由于破壞 SRO 的位錯滑移而產生的熱強化。SRO 的第二種強化效應是由于存在 SRO 時局部溶質波動的變化而產生的熱激活強度，這種變化會影響溶質-差排的集體相互作用能。我們評估了 SRO 對屈服應力的這兩種主要影響，并使用合適的 EAM 勢，將其與針對具有 SRO 的合金的新強化理論進行了比較。在強度變化與 SRO 程度的關系方面，理論分析與模擬之間的良好一致性表明，這種新的強化理論準確地捕捉到了 SRO 的影響。