[論文レビュー] Edge Dislocations Can Control Yield Strength in Refractory Body-Centered-Cubic High Entropy Alloys

Francesco Maresca, Chanho Lee+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

High Entropy Alloys Studies参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、耐火体中心立方格子高エントロピー合金（HEAs）における降伏強度は、長年にわたり認識されてきたようにスクレーブ型不履歴ではなく、エッジ型不履歴が支配的であることが明らかになった。中性子回折、高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）、理論的モデリングを用いて、著者らはNbTaVTiおよびCrMoNbV HEAsにおいてエッジ型不履歴のピンギングが主な強化機構であることを特定した。これにより、10⁷通りの組成を網羅する計算探索が可能となり、10⁶個を超える超強度で高温に耐える合金候補の予測が可能になった。

ABSTRACT

Energy efficiency is motivating the search for new high-temperature metals. Some new body-centered-cubic random multicomponent "high entropy alloys (HEAs)" based on refractory elements (Cr-Mo-Nb-Ta-V-W-Hf-Ti-Zr) possess exceptional strengths at high temperatures but the physical origins of this outstanding behavior are not known. Here we show, using integrated neutron-diffraction (ND), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and theory, that the high strength and strength retention of a NbTaVTi alloy and a new high-strength/low-density CrMoNbV alloy are attributable to edge dislocations. This is surprising because plastic-flow in BCC elemental metals and dilute alloys is universally accepted to be controlled by screw dislocations. We use the insight and theory to perform a computationally-guided search over $10^7$ BCC HEAs and identify over $10^6$ possible ultra-strong high-temperature alloy compositions for future exploration.

研究の動機と目的

• 耐火体中心立方格子高エントロピー合金（HEAs）に見られる特異的な高温強度の物理的起源を特定すること。
• 体中心立方格子金属においてスクレーブ型不履歴が塑性変形を支配するとされる従来の理解に挑戦すること。
• 複雑なHEAsにおいてエッジ型不履歴が主な強化機構となり得るかどうかを特定すること。
• 実験データを基盤とした理論誘導型計算フレームワークを構築し、超強度で高温に耐えるHEAの組成を予測すること。

提案手法

• 塑性変形したHEAsの格子ひずみおよび不履歴密度を調査するための統合的中性子回折（ND）法。
• 不履歴構造を直接画像化し、エッジ型とスクレーブ型の特徴を区別するための高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）法。
• 不履歴コアエネルギーおよび移動度に基づく理論的モデリングにより、エッジ型とスクレーブ型不履歴が強度に与える相対的寄与を評価すること。
• 実験データを反映した予測モデルを用いて、10⁷通りの可能な体中心立方格子HEA組成を計算スクリーニングすること。
• 不履歴運動のエネルギー障壁を不履歴理論を用いて定量的に評価し、観測された降伏強度と関連付けること。
• 理論的知見を基に、高強度で低密度のHEAsを高速スクリーニングし、高温用途に応用可能な新素材の探索を支援すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 耐火体中心立方格子高エントロピー合金において、塑性変形と強度を支配するのはエッジ型不履歴か、スクレーブ型不履歴か？
• RQ2 従来の予想とは異なり、スクレーブ型不履歴が支配的であると想定される中、特定の耐火HEAsが高温でも優れた強度を維持する理由は何か？
• RQ3 従来の体中心立方格子金属の挙動とは対照的に、複雑な多成分体中心立方格子HEAsにおいてエッジ型不履歴が主な強度源となり得るか？
• RQ4 不履歴エネルギーおよび移動度の理論的モデルをどのようにして、強度が高く高温に耐えるHEAの組成を予測するために活用できるか？
• RQ5 理論誘導型の高速スクリーニングを用いた計算探索により、新規の超強度HEAsを発見する可能性はどの程度あるか？

主な発見

• 体中心立方格子耐火HEAsであるNbTaVTiおよびCrMoNbVにおいて、従来の理解とは異なり、エッジ型不履歴が降伏強度の主な要因であることが判明した。
• 中性子回折およびHRTEMのデータから、変形した合金に高密度のエッジ型不履歴が存在し、スクレーブ型不履歴の寄与は最小限であることが確認された。
• 理論的分析により、これらのHEAsにおけるエッジ型不履歴は、局所的な化学的不規則性によって安定化されており、運動のエネルギー障壁が上昇し、強度が向上することが示された。
• 10⁷通りの可能な体中心立方格子HEAの組成を計算スクリーニングした結果、100万個を超える高強度で高温に耐えるHEAの候補が同定された。
• 結果として、エッジ型不履歴のピンギングが複雑なHEAsにおいても実現可能で、支配的な強化機構となり得ることが示された。これにより合金設計の新たな道筋が開かれた。
• 本研究の結果は、体中心立方格子金属の塑性変形が、とくに高エントロピー系において、スクレーブ型不履歴に依存するとする長年の仮定に疑問を呈するものである。