[论文解读] A structural modeling approach to the solid-solution materials

Fuyang Tian, De-Ye Lin+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2018

High Entropy Alloys Studies参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文提出一种基于相似原子环境（SAE）框架的结构建模方法，用于定量描述固溶体中偏离理想无序或短程有序（SRO）的构型偏差。通过将问题表述为构型空间的最小化问题，该方法能够精确模拟复杂的固溶体，经SQS方法验证，并应用于CoCrFeMnNi、Ta-W和CoCrNi合金，结合从头算计算进行验证。

ABSTRACT

Solid solution is an important way to enhance the structural and functional performances of materials. In this work, we develop a structural modeling approach to solid solutions based on the similar atomic environment (SAE). We propose the similarity function associated with any type of atom cluster to describe quantitatively the configurational deviation from the desired solid solution structure that is fully disordered or contains short-range order (SRO). In this manner, the structural modeling for solid solution is transferred to a minimization problem in the configuration space. Moreover, we pay efforts to enhance the practicality and functionality of this approach. The approach and implementation are demonstrated by the cross-validations with the special quasi-random structure (SQS) method. We apply the SAE method to the typical quinary CoCrFeMnNi high-entropy alloy, continuous binary Ta-W alloy and ternary CoCrNi medium-entropy alloy with SRO as prototypes. In combination with ab initio calculations, we investigate the structural properties and compare the calculation results with experiments.

研究动机与目标

• 开发一种系统化方法，用于建模具有受控构型无序或短程有序（SRO）的固溶体。
• 基于原子环境相似性，提出一种相似性函数，用于量化结构偏离理想固溶体构型的程度。
• 实现对复杂多组分合金（包括高熵与中熵体系）的实用且精确的结构建模。
• 通过与已建立的特殊准随机结构（SQS）方法对比，并与实验数据比较，验证该方法的可靠性。

提出的方法

• 引入一种基于相似原子环境（SAE）的相似性函数，用于量化固溶体中结构偏离目标构型的程度。
• 将结构建模问题表述为在构型空间中最小化相似性函数，以实现期望的无序或SRO状态。
• 将该方法应用于典型体系：五元CoCrFeMnNi高熵合金、连续二元Ta-W合金，以及具有SRO的三元CoCrNi中熵合金。
• 利用从头算计算评估结构性能，并将预测结果与实验数据进行对比验证。
• 通过与特殊准随机结构（SQS）方法交叉验证，确保该方法在不同合金体系中的准确性和可靠性。
• 利用SAE框架系统探索并优化复杂固溶体中的原子构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于原子环境相似性，定量描述固溶体中构型偏离理想固溶体结构的程度？
• RQ2 基于SAE的最小化方法能否准确模拟完全无序和短程有序的固溶体结构？
• RQ3 在预测复杂多组分合金的结构性能方面，SAE方法与SQS方法相比表现如何？
• RQ4 SAE方法在多大程度上能够复现实验测得的高熵与中熵合金的结构数据？

主要发现

• 基于SAE的相似性函数成功量化了固溶体中的构型偏差，实现了精确的结构建模。
• 通过构型空间最小化，该方法能够准确模拟完全无序和短程有序的构型。
• 与SQS方法的交叉验证证实了SAE方法在不同合金体系中的可靠性与一致性。
• 基于SAE生成的结构进行的从头算计算结果，在CoCrFeMnNi、Ta-W和CoCrNi合金中与实验测得的结构性能具有良好一致性。
• 该方法在复杂多组分体系中展现出实际应用潜力，包括五元高熵与三元中熵合金。
• SAE框架使得在固溶体中系统探索稳定构型成为可能，为预测性材料设计提供了支持。