[논문 리뷰] Ab initio modeling of the energy landscape for screw dislocations in body-centered cubic high-entropy alloys

Sheng Yin, Jun Ding외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 22.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 3인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 체심입방 구조를 가진 난연성 고엔트로피 합금(RHEAs)에서 나선형 불량핵의 핵 성질을 조사하기 위해 밀도함수이론을 사용한다. 특히 화학적 단거리 순서(SRO)의 영향을 중심으로 다룬다. 평균 핵 에너지는 순수 금속보다 높으며 SRO에 대해 약간의 민감도를 보이지만, SRO는 핵 에너지의 분포를 크게 좁히고 국소적 비균일성을 감소시켜, 비균일하게 운동을 저지하는 데 기여할 수 있는 수정된 에너지 구조를 만들어낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 난연성 고엔트로피 합금(RHEAs)에서 화학적 단거리 순서(SRO)가 불량핵 핵 성질을 어떻게 조절하는지 이해하기 위해.
• SRO가 체심입방(bcc) 고엔트로피 합금에서 나선형 불량핵의 에너지 구조에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• SRO에 의해 유도된 불량핵 핵 에너지 분포의 변화가 기계적 거동, 특히 불량핵 이동성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• MoNbTaW RHEAs의 핵 에너지 특성과 그 순수 구성 bcc 금속들 사이의 차이를 비교하기 위해.

제안 방법

• MoNbTaW 난연성 고엔트로피 합금(RHEAs)에서 불량핵 핵 에너지를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 국소적 화학적 변동의 영향을 조사하기 위해 다양한 수준의 화학적 단거리 순서(SRO)를 가진 여러 초세포 구조를 생성하였다.
• 다양한 SRO 상태에서 핵 에너지 분포를 계산하여 국소적 비균일성과 통계적 산포를 평가하였다.
• SRO 순서가 있는 구조와 무작위 구조 간의 평균 핵 에너지와 분산을 계산하고 비교하였다.
• 나선형 불량핵의 에너지 구조를 분석하여 SRO가 핵 에너지 분포와 국소적 변화에 어떻게 영향을 미치는지 파악하였다.
• 합금화와 SRO의 영향을 분리하기 위해 RHEA와 순수 bcc 금속(Mo, Nb, Ta, W) 간의 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학적 단거리 순서(SRO)는 체심입방 고엔트로피 합금에서 나선형 불량핵의 평균 핵 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 SRO는 MoNbTaW RHEAs에서 불량핵 핵 에너지의 국소적 비균일성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 RHEAs의 핵 에너지 분포는 순수 구성 bcc 금속들과 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 SRO는 체심입방 HEAs에서 나선형 불량핵 운동을 지배하는 전체 에너지 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 SRO는 불량핵 핵 성질을 수정함으로써 RHEAs의 기계적 거동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MoNbTaW RHEAs에서 평균 핵 에너지는 순수 구성 bcc 금속 중 어느 것보다도 높다.
• RHEA에서 평균 핵 에너지는 화학적 단거리 순서(SRO)의 정도에 대해 상대적으로 민감도가 낮다.
• SRO의 존재는 불량핵 핵 에너지의 분포를 크게 좁혀 통계적 산포를 감소시킨다.
• SRO는 불량핵 핵 에너지의 국소적 비균일성을 감소시켜 더 균일한 에너지 구조를 만든다.
• SRO에 의해 수정된 에너지 구조는 불량핵 운동의 비균일적 억제를 유도할 것으로 예측된다.
• 결과는 SRO가 불량핵 핵 구조를 안정화시키고 局소 에너지 변동을 억제함으로써 체심입방 고엔트로피 합금의 기계적 거동을 변화시키는 데 핵심적인 역할을 한다고 시사한다.