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力學所在化學無序中熵合金位錯形核機制研究中取得進展

作者:曹富華 2020-06-08 12:45 來源:
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   新近快速湧現的多主元高/中熵合金顛覆了由一種或兩種金屬主元構築的傳統合金設計理念,因其具有高強韌塑性、抗輻照、耐沖擊等一系列優異的力學性能,在空天、國防、能源等領域顯示出廣闊應用前景。然而,受困于多種金屬主元在拓撲周期性晶格隨機占位所引起的複雜局部原子環境和化學短程序的影響,作爲塑性變形重要載體的位錯如何在高/中熵合金形核與演化仍爲難解之謎。近期,中科院力學研究所非線性力學國家重點實驗室沖擊動力學與新型材料力學性能課題組在這方面取得重要進展。  

    研究人員以三元Ni-Co-Cr中熵合金體系爲研究對象,首先采用分子動力學模擬,結合過渡態理論,考察了位錯形核過程中原子的演變情況,發現位錯形核過程中伴隨著局部fcc-bcc的結構轉變,這類bcc缺陷原子作爲位錯形核的前驅體,促進位錯的形成。進一步研究發現這類bcc缺陷多集中爲Cr原子。

     图1 Ni-Co-Cr中熵合金体系单轴压缩加载位错形核演变过程a1-d1 原子结构演变,其中绿色为fcc結構,藍色爲bcc結構,紅色爲hcp结构;

a2-d2 原子中心对称参数的演变 a3-d3 原子位移矢量图 a4-d4 原子非仿射均方位移

     爲進一步確定這一bcc誘導的位錯形核機制,研究人員利用蒙特卡洛方法建立准隨機原子模型,進行第一性原理單軸拉伸計算。結果再一次表明,位錯形核前總是伴隨著bcc原子的産生,且這些bcc原子以Cr元素爲主,驗證了位錯形核過程中bcc團簇的關鍵作用。 

 

圖2 (a) bcc 結構中Cr Co Ni原子百分數隨變形過程的變化 (b)原子間鍵長隨變形的演變

(c) 過渡態理論計算位錯形核最低能量路徑中能量和結構的演變(其中綠色代表fcc結構,藍色爲bcc結構,紅色爲hcp結構)

  進一步,通過電子結構計算確定了位錯形核過程中bcc缺陷結構産生的電子起源。研究發現,Cr元素表現出明顯的電子局域化行爲,這一局域化行爲使得Cr原子鍵的變形協調性降低,容易産生應力集中。而且,Cr原子周圍原子密度較低,導致Cr原子鍵抗變形能力較低。Cr原子特殊的電子結構,導致變形過程中周圍電子結構的坍塌,從而形成bcc結構,進一步促使位錯的形核。 

     图3 Ni-Co-Cr中熵合金电子结构

   本研究結合經典分子動力學、過渡態理論和第一性原理計算,獲得了電子-原子-缺陷團簇-位錯形核之間的關聯圖譜,有效解析了中高熵合金位錯形核的起源與演化機制,爲深刻理解高/中熵合金塑性變形的微觀機制及高性能合金材料設計提供線索。 

    該工作以Novel atomic-scale mechanism of incipient plasticity in a chemically complex CrCoNi medium-entropy alloy associated with inhomogeneity in local chemical environment爲題近日在線發表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materiala 上(https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.05.042)。中科院力学所特别研究助理曹富华博士是論文第一作者,王云江研究員、戴兰宏研究員为通讯作者。此项研究得到国家基金委重大项目、国家基金委基础研究中心项目、中科院战略性先导专项等支持。 

    

 

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