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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

2020-06-09 力學研究所
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  新近快速涌現的多主元高/中熵合金顛覆了由一種或兩種金屬主元構筑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、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復雜局部原子環境和化學短程序的影響,作為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為難解之謎。近期,中國科學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新進展。

  研究人員以三元Ni-Co-Cr中熵合金體系為研究對象,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缺陷原子作為位錯形核的前驅體,促進位錯的形成。進一步研究發現這類bcc缺陷多集中為Cr原子。

  為進一步確定這一bcc誘導的位錯形核機制,研究人員利用蒙特卡洛方法建立準隨機原子模型,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原子的產生,且這些bcc原子以Cr元素為主,驗證了位錯形核過程中bcc團簇的關鍵作用。

  進一步,通過電子結構計算確定了位錯形核過程中bcc缺陷結構產生的電子起源。研究發現,Cr元素表現出明顯的電子局域化行為,這一局域化行為使得Cr原子鍵的變形協調性降低,容易產生應力集中。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。

  該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,為深刻理解高/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 為題近日在線發表在金屬材料領域期刊Acta Materiala 。力學所特別研究助理曹富華是論文第一作者,研究員王云江、戴蘭宏為通訊作者。此項研究得到國家基金委重大項目、國家基金委基礎研究中心項目、中科院戰略性先導專項等支持。

   論文鏈接

   圖1 Ni-Co-Cr中熵合金體系單軸壓縮加載位錯形核演變過程a1-d1 原子結構演變,其中綠色為fcc結構,藍色為bcc結構,紅色為hcp結構;a2-d2 原子中心對稱參數的演變 a3-d3 原子位移矢量圖 a4-d4 原子非仿射均方位移

  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,藍色為bcc結構,紅色為hcp結構)

圖3 Ni-Co-Cr中熵合金電子結構

打印 責任編輯:葉瑞優

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