擴展缺陷，包括位錯、堆積斷層（SF）和晶界（GB），對工程合金的性能起著重要作用。在實踐中，這些缺陷容易造成元素偏析，即局部成分濃度增加，這可能會從根本上改變材料的機械性能。對于由高濃度多種主要元素組成的高熵合金 (HEA)，研究表明，擴展缺陷周圍的化學偏析比傳統合金更為明顯，會嚴重影響其機械性能，如脫粘和斷裂。在由多主元素組成的高熵合金（HEAs）中，圍繞擴展缺陷的元素偏析很常見，這會嚴重影響其機械性能。在高熵合金中，偏析的驅動力通常與化學短程有序（CSRO）的形成相競爭，這使得闡明偏析機制具有挑戰性。

來自香港城市大學的學者利用蒙特卡羅和分子動力學（MC/MD）混合模擬和理論分析，系統研究了 CoNiCrFe HEA 中位錯、堆疊斷層和晶界（GBs）等擴展缺陷周圍的化學成分變化，以探索化學-結構-力學關系。我們發現在這項研究中考慮的所有缺陷周圍都存在明顯的鉻富集和 Co/Ni/Fe貧化現象。在擴展缺陷附近，本研究發現了結構無序程度與化學偏析/貧化現象之間的相關性。結果表明，由于 HEA 的化學性質極其復雜，CSRO 不可避免地會導致元素重排并影響偏析。因此，HEA 中的偏析行為主要由不同原子對之間的相互作用控制，偏析熵也起著主導作用。通過將元素偏析和 CSRO 的強化貢獻解耦，本研究證明并強調了元素偏析可以調節 HEA 的強化。通過對添加了不同鐵元素的 CoNiCrFe 進行實驗比較，證明了元素偏析對界面性能的積極影響--提高了極限拉伸強度和伸長率。這項工作闡明了元素偏析和 CSRO 共存的 HEA 中異質元素分布的機理，為通過調節成分變化來操縱其機械性能鋪平了道路。相關工作以題為“Mechanism of elemental segregation around extended defects in high-entropy alloys and its effect on mechanical properties”的研究性文章發表在 。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119537

本研究關注了不同鐵含量的CoNiCrFe HEA 中擴展缺陷周圍的元素偏析機制，以揭示偏析傾向與 CSRO 之間的相互作用。典型的擴展缺陷包括線缺陷（即肖克利部分位錯，SPDs）、平面缺陷（堆疊斷層，SFs）和 GBs（即對稱傾斜 GBs 和具有不同錯向角的非對稱傾斜 GBs）。眾所周知，在 CoNiCrFe 中，鉻傾向于在 GB 周圍偏析。通過調整鐵的成分，可以有效地改變偏析程度和 CSRO，這要歸功于鐵-鉻對顯著的正混合焓（根據 THEMOCALC TCFE9 數據庫，為 2.7 kJ/mol）。然后，系統分析了在不同溫度和不同鐵濃度條件下化學偏析與結構紊亂之間的關系。本研究發現并強調了與 HEA 中不同擴展缺陷周圍元素分布相關的結構紊亂的重要性。本研究進一步闡明了 CSRO和偏析對機械強度的貢獻，根據強化理論將這兩個因素解耦。這些結果揭示了 HEA 中偏析和 CSRO 之間錯綜復雜的相互作用。

圖 1. (a)隨機完美系統、(b)肖克利部分位錯（SPD）和(c)堆疊斷層（SF）模型的無松弛原子構型示意圖；(d)-(f) 分別為 ATGBs-GB1 （非對稱傾斜晶界，ATGB，Σ13<320>）、STGB-GB2 （對稱傾斜晶界，STGB，Σ11<332>）和 ATGBs-GB3 （ATGB，Σ13<100>）。(b) 中的圓圈代表 SPD 線。(d-f)中的矩形表示 GB 區域的放大圖像。

圖 2. 在 1000 K 下通過 MC/MD 模擬獲得的 25Fe 中不同缺陷模型的典型原子構型及相應的原子分數、CSP 和結構紊亂參數 (η^Dis)剖面，分別為 (a) SPD、(b) SF、(c) GB1、(d) GB2 和 (e) GB3。原子構型通過原子類型、應力、CSP 和結構類型的四個或三個彩色編碼面板進行說明。原子構型視圖后顯示了隨位置變化的相應偏析相關屬性，包括成分、CSP 和無序。

圖 3. 25Fe 和 10Fe 合金中 GB 周圍的元素分布。(a) 25Fe 和 (b) 10Fe HEA 中 GB 的高角度環形暗場 (HAADF) 圖像，以及 (b,e) 相應的 EDS 圖譜。(c,f) GBs 上相應的元素分布圖。

圖 4. 不同溫度下 (a) SPD 模型、(b) SF 模型和 (c) 所有 GB模型（包括 GB1、GB2 和 GB3）的鉻元素過量化學吸收（Γ_Cr）與過量結構紊亂（Γ^tot _Dis）的對比。盡管數據點有限且分散，但結果表明元素的異質分布與缺陷結構的無序性之間可能存在直接聯系。對于 SPD 和 SF 模型，在低鐵濃度模型中獲得的數據標記為藍色區域；在高鐵添加模型中獲得的其他數據標記為紅色區域。詳細的相關分析見補充材料 A.2.3 節。GBs 模型中較分散的數據點與不同類型的晶界有關，這些晶界源于三種不同類型的晶界：ATGB-GB1、STGB-GB2 和ATGB-GB3。

圖 5. (a) SF 和 (b) GB2 模型中的界面內聚能。Ran 模型是隨機系統。Seg 模型是在800 K 和 1000 K 下經過 MC/MD 處理的系統。

圖 6. CSRO 和 Seg-GB 中的隔離產生的強化效果。

圖 7. 三種合金在 (a) 充氫和 (b) 不充氫狀態下的工程應力-應變曲線。(c) 充氫前后的應力應變曲線對比。(d) 充氫前后極限抗拉強度（τ_UTS）和（e）伸長率（δ）隨鐵濃度的變化。(f) 加氫后不同合金的伸長率損失率和極限拉伸強度降低率。

圖 8. 0 K 時 25Fe 中四種不同元素的偏析能曲線：(a) GB1、(b) GB2 和(c) GB3。點線和虛線分別是利用 MS（ΔG^seg_md）和經典偏析理論（ΔG^seg _th）測得的偏析能。GB 核心用黑色箭頭標出。

圖 9. n/Co（n=Ni、Cr、Fe）、n/Ni（n=Co、Cr、Fe）、n/Cr（n=Ni、Co、Fe）和 n/Fe（n=Co、Ni、Cr）的置換能，以及它們在 25Fe (a) 塊體和 (b) GB2 位點中沿 y 方向的平均值。物種 m 的平均置換能是 m 被 n 替代時的平均能量變化（n≠m）。例如，Co 表示 Ni/Co、Cr/Co、Fe/Co 的平均能量。(c) 25Fe 中 GB 與主體（GB-Bulk）平均取代能之間的取代能差。

本研究系統地分析了擴展缺陷周圍的偏析現象：在 300 ∼ 1300 K 的溫度范圍內，研究了不同鐵濃度的 CoNiCrFe HEA 中的 SPD、SF 和 GB：

(1)在 CoNiCrFe HEAs 的擴展缺陷周圍存在強烈的元素偏析。一般會出現明顯的鉻富集和 Co/Ni/Fe 貧化。由于這種偏析，不同元素之間的成鍵偏好導致鉻和 Co/Ni/Fe之間形成了明顯的濃度差距。

(2)通過分析 CSRO 和偏析的強化效應，本研究發現偏析是調節 HEA 機械強度的有效參數。位錯強化效應和界面抗脆性受偏析和 CSRO 的影響。

(3)通過比較三種不同合金成分的極限拉伸強度和伸長率，可以證明元素偏析改善了所研究的HEA 的界面強度和延展性。這些發現凸顯了元素偏析對界面性能的積極影響，從而改善了機械性能，這與模擬結果一致。

(4)基于對不同方法獲得的偏析能的比較和分析，我們發現偏析熵在 HEA 的偏析中起著不可忽視的關鍵作用。僅靠焓項無法完全解釋偏析趨勢。

(5)偏析強化可通過塊體和 GB 位點對強度的相對貢獻來解釋。在這項工作中，GB 中的鉻偏析與塊體中的鈷和鎳富集的耦合強化效應導致了偏析強化。