北科大呂昭平Acta重大發(fā)現(xiàn):有序間隙復(fù)合物打破強(qiáng)韌性權(quán)衡,重塑多主元合金性能!
2024-10-15 17:06:58
作者:材料設(shè)計(jì) 來(lái)源:材料設(shè)計(jì)
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在合金的制造和加工過(guò)程中,氧、碳、氮等間隙元素經(jīng)常滲入晶格中,與金屬原子形成脆性化合物而對(duì)合金的力學(xué)性能構(gòu)成威脅。
最近有研究發(fā)現(xiàn),在多主元素合金(MP)中,間隙原子可以形成有序的間隙復(fù)合物(OICs),例如,在TiNbHfZr高熵合金(HEA)和TiNbZr中熵合金(MEA)中可以形成有序的間隙氧原子復(fù)合物,在CoCrFeMnNi HEA中可以形成有序的氮復(fù)合物,在FeNiMnAlCr HEA和NiCoCr MEA中可以形成有序的碳配合物。
這些OIC處于無(wú)序間隙溶質(zhì)和化合物之間的中間狀態(tài),可以同時(shí)提高M(jìn)PEA的強(qiáng)度和延展性,打破了長(zhǎng)期存在的強(qiáng)度-延性權(quán)衡。然而,通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察OIC形成的復(fù)雜原子細(xì)節(jié)及其與位錯(cuò)的相互作用仍具挑戰(zhàn)性。同時(shí),對(duì)于多組分體系,OIC行為的模擬面臨缺乏原子間勢(shì)的困境。
我們之前的工作表明,Ti和Zr之間存在化學(xué)短程有序,促進(jìn)了氧OIC的形成,表明間隙原子與合金基體之間存在復(fù)雜的相互作用。OIC使位錯(cuò)剪切模式由平面滑移轉(zhuǎn)變?yōu)椴罨疲⒋龠M(jìn)了交叉滑移。此外,通過(guò)控制鈮和氧的含量可以優(yōu)化材料的強(qiáng)度和延展性。Nb含量的降低提高了(Ti,Zr)富化學(xué)短程有序度,有利于氧摻雜后OIC的形成。
本研究中,北京科技大學(xué)黨委常委、副校長(zhǎng)呂昭平教授科研團(tuán)隊(duì),以TiNbZr中熵合金中的氧OIC為例,闡明了具有高度精確深度學(xué)習(xí)潛力的OIC的強(qiáng)化和增韌機(jī)制。利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬研究了OIC的形成機(jī)理、原子堆積及其與位錯(cuò)的相互作用。發(fā)現(xiàn)間隙原子在加載時(shí)能量聚集,增加了對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙。結(jié)果表明,Nb含量對(duì)OIC的形貌和分布有顯著影響,Nb含量的降低有利于形成更大的簇狀OIC。OIC的存在可以顯著提高位錯(cuò)連續(xù)運(yùn)動(dòng)所需的臨界剪應(yīng)力。當(dāng)刃位錯(cuò)遇到OIC時(shí)觀察到釘切行為,而當(dāng)螺位錯(cuò)遇到OIC時(shí)發(fā)生交叉滑移行為。所開發(fā)的原子間勢(shì)為闡明TiNbZrO合金的變形機(jī)制提供了有價(jià)值的工具,突出了OIC對(duì)多元合金力學(xué)性能的顯著影響。點(diǎn)擊文末左下方【閱讀原文】直達(dá)文章相關(guān)成果以“Formation and strengthening mechanism of ordered interstitial complexes in multi-principle element alloys”為題刊登在Acta Materialia上。圖2. TiNbZr MEA中LCO結(jié)構(gòu)和OIC的形成。
圖3. OIC的原子形成機(jī)制。
圖4. Nb和氧含量對(duì)OIC形成的影響。
圖5. OIC對(duì)廣義堆垛層錯(cuò)(GSF)能的影響。
綜上所述,我們利用為TiNbZrO體系開發(fā)的高精度原子間勢(shì),通過(guò)MD模擬來(lái)闡明OIC的形成和強(qiáng)化機(jī)制,揭示了OIC的原子堆積特性,對(duì)OIC形成機(jī)制的分析表明OIC的形成有利于氧原子間隙聚集。發(fā)現(xiàn)Nb含量對(duì)OIC的形貌和分布有顯著影響,低Nb含量有利于形成較大的簇狀OIC。所開發(fā)出的原子間勢(shì)為理解TiNbZr MEA中OIC的形成和強(qiáng)化機(jī)制提供了有價(jià)值的工具,有助于合理設(shè)計(jì)具有最佳力學(xué)性能的TiNbZr MEA。在加載過(guò)程中,OIC顯著提高了連續(xù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的臨界剪應(yīng)力。OIC與刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的相互作用差異很大,當(dāng)刃位錯(cuò)遇到OIC時(shí),由于OIC的釘切,出現(xiàn)了兩個(gè)螺位錯(cuò)段,并且在穿過(guò)OIC后發(fā)生部分爬升機(jī)制,導(dǎo)致位錯(cuò)繞過(guò)OIC;當(dāng)螺位錯(cuò)遇到OIC時(shí),發(fā)生交叉滑移以減小OIC的阻力。本文揭示的OIC形成機(jī)制以及與位錯(cuò)的相互作用,為研究具有間隙強(qiáng)化原子的MPEA的變形行為提供了極具價(jià)值的見解。
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