[論文レビュー] The Paracrystalline Nature of Lattice Distortion in a High Entropy Alloy

Yu‐Tsun Shao, Renliang Yuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

High Entropy Alloys Studies参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、FCC高エントロピー合金Al0.1CrFeCoNiにおける顕著な格子歪みが、ナノスケールのパラクリスタリンモザイクブロックと歪みを伴うナノクラスターに起因し、それらの相互作用によって複数スケールにわたるフラクタルな歪み場が生成されることを明らかにした。約10⁴パターンの電子ナノ回折を用いて、著者らは結晶対称性、歪み、原子的歪みを直接像として撮像・マッピングし、格子歪みのパラクリスタリン起源を確立した。これは、不純物のピン留めによる強化を説明するものである。

ABSTRACT

Severe lattice distortion is suggested for high entropy alloys (HEAs), however, evidence for such effect so far is lacking, and the nature of distortion is yet to be understood. Here, we reveal the distortion in an fcc HEA, Al0.1CrFeCoNi, by direct imaging using electron nanodiffraction. Information about crystal symmetry, lattice strain and atomic distortion are data-mined and mapped from many (~10^4) diffraction patterns. Application to the HEA reveals two embodiments of distortion, nm-sized mosaic blocks of paracrystals and strained nano-clusters. Their interaction gives rise to fractal strain field across nanoscopic to mesoscopic scales. As lattice distortion impedes dislocation motion and contributes to strengthening, results here thus provide critical insights about the complex nature of distortion in a HEA.

研究の動機と目的

• 高エントロピー合金（HEA）における顕著な格子歪みの本質を解明すること。これは仮説ではあるが、直接観察されていない。
• HEAにおける格子歪みが長距離周期性に起因するのか、ナノスケールの無秩序性に起因するのかを特定すること。
• 同一のHEAにおいて、複数スケールに跨る結晶対称性、格子歪み、原子的歪みをマッピングすること。
• ナノスケールからミクロスケールに跨るスケールで、HEAにおける歪み場の起源と構造的意味を調査すること。
• パラクリスタリン構造とHEAにおける機械的強化の直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 電子ナノ回折（END）を用いて、1つのAl0.1CrFeCoNi HEA試料から約10⁴の回折パターンを収集した。
• データマイニング技術を用いて、各回折パターンから結晶対称性、格子歪み、原子的歪みを抽出した。
• 歪みおよび対称性パラメータの空間的マッピングにより、ナノスケールの構造的不均一性の可視化が可能になった。
• 統計的および空間相関解析法を用いて、ナノスケールからミクロスケールに跨る歪み場のフラクタル性を分析した。
• パターン解析および構造モデリングを通じて、パラクリスタリンモザイクブロックおよび歪みを伴うナノクラスターの存在が同定された。
• パラクリスタリンドメインと歪みクラスターの相互作用を定量的に評価し、長距離歪み場の生成を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エントロピー合金における顕著な格子歪みの真の構造的起源は何か？
• RQ2 HEAにおける格子歪みは、長距離周期的歪みに起因するのか、ナノスケールの非周期的無秩序性に起因するのか？
• RQ3 モザイクブロックや歪みクラスターといったナノスケールの構造的特徴は、全体の歪み場にどのように寄与するか？
• RQ4 複数スケールに跨るHEAにおける歪み場の空間相関性およびフラクタル性は何か？
• RQ5 パラクリスタリンドメインとナノクラスターの相互作用は、機械的特性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Al0.1CrFeCoNi HEAにおける格子歪みは、主に非周期的秩序を示すナノメートルサイズのパラクリスタリンモザイクブロックに起因する。
• 歪みを伴うナノクラスターは、局所的格子歪みの第二の明確な要因であると特定された。
• パラクリスタリンブロックと歪みクラスターの相互作用により、ナノスケールからミクロスケールに跨るフラクタルな歪み場が生成された。
• 電子ナノ回折による直接像像により、長距離周期的歪みの不在が確認され、パラクリスタリンモデルの支持が得られた。
• 歪み場はランダムではなく、自己相似的な空間相関を示しており、階層的な構造的起源を示している。
• 本研究の結果は、HEAにおける格子歪みが本質的にパラクリスタリンであることを直接的証明し、不純物のピン留めと強化にその役割を説明するものである。