[论文解读] 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 23

一句话总结

本研究采用密度泛函理论研究体心立方结构难熔高熵合金（RHEAs）中螺旋位错核心的特性，重点关注化学短程有序（SRO）的影响。研究发现，尽管平均核心能高于纯金属且对SRO的敏感性较弱，但SRO显著缩小了核心能的分布范围并降低了空间异质性，从而形成一种可能异质性抑制位错运动的修改后能量势垒。

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.

研究动机与目标

• 理解化学短程有序（SRO）在调节难熔高熵合金（RHEAs）位错核心特性中的作用。
• 研究SRO如何影响体心立方（bcc）高熵合金中螺旋位错的能量势垒。
• 评估SRO引起的位错核心能分布变化对力学性能的影响，特别是位错迁移率的影响。
• 比较MoNbTaW RHEAs与其中纯组分bcc金属的位错核心特性。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算MoNbTaW难熔高熵合金（RHEAs）中位错核心能。
• 生成具有不同化学短程有序（SRO）程度的多种超胞构型，以探究局部化学涨落的影响。
• 计算不同SRO状态下核心能的分布，以评估空间异质性和统计离散度。
• 计算并比较SRO有序与随机构型下平均核心能及其方差。
• 分析螺旋位错的能量势垒，以确定SRO如何改变核心能的分布与空间变化。
• 对RHEA与纯bcc金属（Mo、Nb、Ta、W）进行对比分析，以分离合金化与SRO的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 化学短程有序（SRO）如何影响体心立方高熵合金中螺旋位错的平均核心能？
• RQ2 SRO在多大程度上降低了MoNbTaW RHEAs中位错核心能的空间异质性？
• RQ3 RHEAs中的核心能分布与其中纯组分bcc金属中的分布有何差异？
• RQ4 SRO对控制体心立方HEAs中螺旋位错运动的整体能量势垒有何影响？
• RQ5 SRO如何通过改变位错核心特性来影响RHEAs的力学响应？

主要发现

• MoNbTaW RHEAs中的平均核心能高于其任何一种纯组分bcc金属。
• RHEA中的平均核心能对化学短程有序（SRO）程度的敏感性较弱。
• SRO的存在显著缩小了位错核心能的分布范围，降低了统计离散度。
• SRO降低了位错核心能的空间异质性，使能量势垒更加均匀。
• 由于SRO引起的能量势垒修改，预计会导致位错运动的异质性抑制。
• 结果表明，SRO通过稳定位错核心结构并抑制局部能量波动，在调节体心立方高熵合金力学行为中起着关键作用。