[論文レビュー] Ab initio modeling of the energy landscape for screw dislocations in body-centered cubic high-entropy alloys

Sheng Yin, Jun Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2019

High Entropy Alloys Studies参考文献 3被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、体心立方構造をとる難鉄高エントロピー合金（RHEAs）におけるスクリュー格子線傷害コア特性を、密度汎関数理論を用いて調査し、化学的短距離秩序（SRO）の影響に注目する。平均コアエネルギーは純金属と比較して高く、SROに対しては弱い感受性を示すが、SROはコアエネルギーの分布を著しく狭め、空間的不均一性を低減し、結果として不均一な運動を引き起こす可能性がある修正されたエネルギー障壁を形成することが判明した。

ABSTRACT

In traditional body-centered cubic (bcc) metals, the core properties of screw dislocations play a critical role in plastic deformation at low temperatures. Recently, much attention has been focused on refractory high-entropy alloys (RHEAs), which also possess bcc crystal structures. However, unlike face-centered cubic high-entropy alloys (HEAs), there have been far fewer investigations on bcc HEAs, specifically on the possible effects of chemical short-range order (SRO) in these multiple principal element alloys on dislocation mobility. Here, using density functional theory, we investigate the distribution of dislocation core properties in MoNbTaW RHEAs alloys, and how they are influenced by SRO. The average values of the core energies in the RHEA are found to be larger than those in the corresponding pure constituent bcc metals, and are relatively insensitive to the degree of SRO. However, the presence of SRO is shown to have a large effect on narrowing the distribution of dislocation core energies and decreasing the spatial heterogeneity of dislocation core energies in the RHEA. It is argued that the consequences for the mechanical behavior of HEAs is a change in the energy landscape of the dislocations which would likely heterogeneously inhibit their motion.

研究の動機と目的

• 難鉄高エントロピー合金（RHEAs）における化学的短距離秩序（SRO）が、格子線傷害コア特性をどのように制御するかを理解すること。
• SROが体心立方（bcc）高エントロピー合金におけるスクリュー格子線傷害のエネルギー障壁に与える影響を調査すること。
• SROに起因する格子線傷害コアエネルギー分布の変化が、機械的挙動、特に格子線傷害の可動性に与える影響を評価すること。
• MoNbTaW RHEAsのコアエネルギー特性を、その純金属成分（bcc）と比較すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）を用いて、MoNbTaW難鉄高エントロピー合金（RHEAs）における格子線傷害コアエネルギーを計算する。
• 局所的な化学的フラクチュエーションの影響を調査するため、異なる程度の化学的短距離秩序（SRO）を持つ多数のスーパセル構造を生成する。
• 異なるSRO状態におけるコアエネルギー分布を計算し、空間的不均一性と統計的ばらつきを評価する。
• SRO秩序化済みおよびランダムな構造間で、平均コアエネルギーとその分散を計算・比較する。
• スクリュー格子線傷害のエネルギー障壁を分析し、SROがコアエネルギーの分布と空間的変動にどのように影響するかを特定する。
• 合金化とSROの効果を分離するために、RHEAと純金属（Mo、Nb、Ta、W）との間で比較分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的短距離秩序（SRO）は、体心立方高エントロピー合金におけるスクリュー格子線傷害の平均コアエネルギーにどのように影響するか？
• RQ2 SROは、MoNbTaW RHEAsにおける格子線傷害コアエネルギーの空間的不均一性をどの程度低減するか？
• RQ3 RHEAsにおけるコアエネルギー分布は、純金属成分（bcc）と比較してどのように異なるか？
• RQ4 SROは、体心立方HEAsにおけるスクリュー格子線傷害運動を支配する全体のエネルギー障壁にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 SROは、格子線傷害コア特性の変化によって、RHEAsの機械的応答にどのように影響を及けるか？

主な発見

• MoNbTaW RHEAsにおける平均コアエネルギーは、純金属成分のいずれよりも高い。
• RHEAsにおける平均コアエネルギーは、化学的短距離秩序（SRO）の程度に対して相対的に感受性が低い。
• SROの存在により、格子線傷害コアエネルギーの分布が著しく狭まり、統計的ばらつきが低減する。
• SROは、格子線傷害コアエネルギーの空間的不均一性を低減し、より均一なエネルギー障壁を形成する。
• SROに起因するエネルギー障壁の修正は、格子線傷害運動の不均一な抑制を引き起こすと予測される。
• 本結果は、SROが体心立方高エントロピー合金の機械的挙動を安定化させる鍵的要因である可能性を示唆しており、格子線傷害コア構造の安定化と局所的エネルギー変動の抑制に寄与している。