[论文解读] 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 9

一句话总结

本研究揭示，在难熔体心立方高熵合金（HEAs）中，控制屈服强度的并非螺型位错，而是刃型位错，这挑战了体心立方（BCC）金属领域长期存在的范式。通过中子衍射、高分辨透射电镜（HRTEM）和理论建模，作者确定在NbTaVTi和CrMoNbV HEAs中，刃型位错钉扎是主导强化机制，从而实现对10⁷种成分的计算筛选，成功预测出超过10⁶种超强度、高温性能优异的合金候选材料。

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.

研究动机与目标

• 确定难熔体心立方高熵合金（HEAs）中极端高温强度的物理起源。
• 挑战体心立方（BCC）金属中螺型位错主导塑性的既定认知。
• 确定刃型位错是否可在复杂HEAs中成为主要强化机制。
• 开发一种基于理论的计算框架，用于预测超强度、高温性能优异的HEA成分。

提出的方法

• 结合中子衍射（ND）探测形变HEAs中的晶格应变和位错密度。
• 利用高分辨透射电镜（HRTEM）直接成像位错结构，并区分刃型与螺型特征。
• 基于位错核心能和迁移率的理论建模，评估刃型与螺型位错对强度的相对贡献。
• 利用基于实验数据的预测模型，对超过10⁷种可能的BCC HEA成分进行计算筛选。
• 应用位错理论量化位错运动的能垒，并将其与观测到的屈服强度关联。
• 利用理论指导高通量搜索，发现新型高强、低密度HEAs，具有高温应用潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在难熔BCC高熵合金中，哪种位错类型——刃型或螺型——主导塑性变形与强度？
• RQ2 为何某些难熔HEAs在高温下仍表现出优异的强度保持性，尽管传统预期螺型位错起主导作用？
• RQ3 刃型位错是否可作为复杂多组分BCC HEAs中的主要强度来源，与既有的BCC金属行为相悖？
• RQ4 如何利用位错能量与迁移率的理论模型预测强韧、高温性能优异的HEA成分？
• RQ5 通过理论指导的高通量计算搜索，发现新型超强度HEAs的潜力有多大？

主要发现

• 在NbTaVTi和CrMoNbV难熔BCC HEAs中，刃型位错是屈服强度的主要来源，这与传统认知中螺型位错在BCC金属中占主导地位的观点相悖。
• 中子衍射与HRTEM数据证实，形变合金中刃型位错密度高，而螺型位错贡献可忽略不计。
• 理论分析表明，这些HEAs中的刃型位错受局域化学无序稳定，其运动能垒提高，从而增强强度。
• 通过筛选10⁷种可能的BCC HEA组合，计算搜索识别出超过100万种潜在的高强、高温HEA成分。
• 研究结果表明，刃型位错钉扎是复杂HEAs中可行且占主导地位的强化机制，为合金设计开辟了新路径。
• 研究结果挑战了长期以来认为BCC金属塑性仅由螺型位错主导的假设，尤其在高熵体系中更为显著。