[논문 리뷰] Accurate ab initio modeling of solid solution strengthening in high entropy alloys

Franco Moitzi, Lorenz Romaner외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 26.

High Entropy Alloys Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고엔트로피합금(HEAs)에서의 고체용액강화를 정확하게 모델링하기 위해 일관된 잠재력 근사(CPA)와 밀도함수이론(DFT)에 기반한 계산적으로 효율적이고 파rameter-free인 ab initio 방법론을 제시한다. 이 방법은 원소별 교환-상관 압력 보정을 포함하며, 열적 효과(자기성 및 격자진동 포함)를 고려하여 FeNiCoCr 및 NiCoCr에 대한 실험적 임계잔류전단응력(CRSS) 데이터와 정량적 일치를 이룬다. 이는 복잡한 성분 상호작용으로 인해 비단조화적인 불일치 부피 경향을 나타낸다.

ABSTRACT

High entropy alloys (HEA) represent a class of materials with promising properties, such as high strength and ductility, radiation damage tolerance, etc. At the same time, a combinatorially large variety of compositions and a complex structure render them quite hard to study using conventional methods. In this work, we present a computationally efficient methodology based on ab initio calculations within the coherent potential approximation. To make the methodology predictive, we apply an exchange-correlation correction to the equation of state and take into account thermal effects on the magnetic state and the equilibrium volume. The approach shows good agreement with available experimental data on bulk properties of solid solutions. As a particular case, the workflow is applied to a series of iron-group HEA to investigate their solid solution strengthening within a parameter-free model based on the effective medium representation of an alloy. The results reveal intricate interactions between alloy components, which we analyze by means of a simple model of local bonding. Thanks to its computational efficiency, the methodology can be used as a basis for an adaptive learning workflow for optimal design of HEA.

연구 동기 및 목표

• 표준 교환-상관 기능에서 발생하는 체계적 오류로 인해 전통적인 DFT가 고엔트로피합금에서 평형 부피 및 불일치 매개변수를 예측하는 데에 한계를 가짐을 해결하기 위해.
• 철군 원소를 기반으로 하는 복잡한 자기적 거동를 보이는 다성분 HEAs에 대해, 예측 가능하고 파rameter-free인 고체용액강화(SSS) 모델링 워크플로우를 개발하기 위해.
• 열역학적 온도 효과—예를 들어 열팽창, 스핀 변동, 격자진동 기여—를 DFT 기반 합금 성질 계산에 통합하기 위해.
• 특정 FCC HEAs인 NiCoCr 및 FeNiCoCr에 대한 실험적 CRSS 및 불일치 부피 데이터와의 정합성을 검증하기 위해.
• 불일치 부피의 비직관적인 농도 의존성과 국소 결합 모델을 사용한 합금 성분 간의 핵심 상호작용을 규명하기 위해.

제안 방법

• 다성분 HEAs의 효과적 매질을 정확하게 처리하기 위해 다성분 HEAs에 대해 일관된 잠재력 근사(CPA)를 적용하여 무질서한 고체용액을 모델링한다.
• DFT로 계산된 상태방정식에 원소별 교환-상관(XC) 압력 보정을 적용하여 평형 격자 상수 및 부피에서 발생하는 체계적 오류를 보정한다.
• 특히 철과マン간과 같은 3d 전이금속에서 중요한 열역학적 효과를 위해 격자진동 기여와 스핀 변동을 포함한다.
• CPA-DFT를 사용하여 관련 온도에서 자성 모듈러스, 불일치 매개변수 δ, 격자 상수 등의 주요 SSS 매개변수를 자기적으로 일관되게 계산한다.
• Varvenne-Curtin(VC) 모델을 사용하여 ab initio로 유도된 매개변수로부터 온도에 따라 변화하는 임계잔류전단응력(CRSS)을 계산한다.
• 성분 농도에 따른 비단조화적인 불일치 부피 경향을 해석하고 예측하기 위해 단순한 국소 결합 모델을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 기능에서 실패하는 경우에도, CPA와 XC 보정을 포함한 DFT 기반 접근법이 고엔트로피합금의 평형 부피 및 불일치 부피를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 특히 자기성 및 열팽창이 포함된 유한온도 효과가 철군 HEAs에서 고체용액강화 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 성분 간 상호작용이 불일치 부피의 비단조화적인 농도 의존성에 어느 정도 기여하는가? 이러한 경향은 단순한 국소 결합 모델로 캐치할 수 있는가?
• RQ4 제안된 파rameter-free 워크플로우는 FCC HEAs에 대해 온도에 따라 변화하는 임계잔류전단응력(CRSS)을 정량적으로 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 불일치 부피와 탄성 성질 간의 상충 관계를 바탕으로, 등몰농도 조성에서 항상 최대 인장강도를 달성하지 못하는 이유를 모델이 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 원소별 XC 압력 보정은 평형 격자 상수 및 불일치 부피의 정확도를 크게 향상시키며, NiCoCr에 대해 계산된 값과 실험값 간에 뛰어난 일치를 보였다.
• 모델은 NiCoCr 및 FeNiCoCr에 대해 온도에 따라 변화하는 CRSS를 양호한 정량적 일치로 예측하여, 실용적 합금 설계를 위한 접근법의 타당성을 검증하였다.
• 오성분 FeMnNiCoCr 합금의 경우, 구조적 복잡성 증가와 강한 자기 상호작용으로 인해 모델이 약간 CRSS를 과소평가하였다.
• 불일치 매개변수 δ는 세 가지 연구된 HEAs 전반에서 강도 경향을 결정하는 주요 인자로 규명되었으며, 복잡한 성분 간 상호작용으로 인해 비단조화적인 농도 의존성이 발생한다.
• 국소 결합 모델은 Ni 농도 변화에 따른 FeMnNiCoCr의 불일치 부피 변화를 정성적으로 잘 캐치하였으며, 성분별 전자구조 효과가 핵심임을 시사한다.
• 특히 철과 망간에서의 스핀 변동을 포함한 열적 효과는 고온에서의 합금 성질 정확한 예측에 필수적이며, 일반적으로 표준 DFT 워크플로우에서 간과되는 경향이 있다.