[论文解读] The Taming of the Screw: Dislocation Cores in BCC Metals and Alloys

Rui Wang, Lingyu Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Microstructure and mechanical properties被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于物理的材料指数 χ，定义为面心立方（FCC）与体心立方（BCC）结构之间的归一化能量差，用于预测和调控 BCC 金属及合金中螺旋位错核心的性质。χ 实现了晶格摩擦力和位错形核势垒的近线性缩放，并控制了合金化过程中非简并核心向简并核心结构的转变，为通过第一性原理计算设计延性、高韧性的 BCC 合金提供了预测性框架。

ABSTRACT

Body-centred cubic (BCC) transition metals tend to be brittle at low temperatures, posing significant challenges in processing and major concerns for damage tolerance. The brittleness is largely dictated by the screw dislocation core; the nature and control of which remain a puzzle after nearly a century. Here, we introduce a physics-based material index \{chi}, the energy difference between BCC and face-centred-cubic structures, that guides manipulation of core properties. The lattice friction and nucleation barrier have near-linear scaling with \{chi} and the core transforms from non-degenerate to degenerate when \{chi} drops below a threshold in BCC alloys. \{chi} is related to solute valence electron concentrations and can be quantitatively predicted by first-principles calculations, providing a robust path for design of ductile and tough BCC alloys.

研究动机与目标

• 确定控制 BCC 过渡金属中螺旋位错核心结构的物理起源。
• 解释 BCC 金属在低温下表现出脆性-延性转变这一长期悬而未决的谜题。
• 开发一种可预测的、基于物理的材料指数，用于调控 BCC 合金的位错核心性质。
• 通过可量化的位错核心行为控制，实现在计算上筛选和设计延性、高韧性的 BCC 合金。

提出的方法

• 材料指数 χ 定义为 χ = ∆EA / ∆EP，其中 ∆E = EFCC − EBCC 为 FCC 与 BCC 相之间的能量差。
• χ 通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算推导得出，用于量化通过准密堆积 FCC 类结构实现核心转变的能量代价。
• 核心结构（简并与非简并）由核心中心外位移矢量（DDs）的相对能量代价决定。
• 结果显示，晶格摩擦力和位错形核势垒在多种 BCC 金属和合金中均与 χ 近似呈线性关系。
• 该方法采用变分簇近似（VCA）来模拟合金效应，并在多种成分下验证 χ 的有效性。
• 该框架已通过 W、Ta、Li 以及 Re 合金体系的广泛 DFT 计算和实验数据得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理参数控制着 BCC 金属中非简并与简并螺旋位错核心之间的转变？
• RQ2 如何对 BCC 合金中的晶格摩擦力和位错形核势垒进行定量预测与工程调控？
• RQ3 是否可通过使用通用材料指数，系统性地通过固溶体合金化调控 BCC 金属的核心结构和力学响应？
• RQ4 χ 作为第一性原理计算的产物，能在多大程度上预测不同 BCC 合金成分中的核心性质？

主要发现

• 材料指数 χ 定义为 FCC 与 BCC 相之间的归一化能量差，在 BCC 金属和合金中显示出与晶格摩擦力和位错形核势垒的近似线性缩放关系。
• 当 χ 降低至临界阈值以下时，螺旋位错核心由非简并（ND）转变为简并（D）特性，从而促进滑移并提升延性。
• 在 W 中，Re 合金化使 χ 降低至阈值以下，导致核心从 ND 转变为 D，这与实验观测到的晶格摩擦力降低和延性改善相一致。
• 核心结构偏好由核心中心外位移矢量（DDs）的相对能量代价决定，其中 D-核心倾向于单一较大的 DD（~b/3），而 ND-核心则需要两个较小且对称的 DD（各 ~b/6）。
• χ 与溶质价电子浓度直接相关，且可通过对任意合金成分进行第一性原理 DFT 计算进行定量预测。
• 该框架可通过控制合金化以实现特定 χ 值，从而实现对延性、高韧性 BCC 合金的预先筛选与设计。