最近，CoCrNi中熵合金(MEA)因其獨特的機械性能（例如極高的強度-延展性組合）而成為眾多研究的主題。CoCrNi MEAs的優(yōu)異韌性歸因于多種變形機制的相互作用，例如孿晶，以及部分和完美的位錯滑移。目前對MEA變形的理解主要源于對變形微觀結(jié)構(gòu)中缺陷演變的間接分析，其中單個機制的貢獻是根據(jù)相關(guān)缺陷結(jié)構(gòu)的相對濃度來評估的。斯坦福大學在國際頂級期刊《International Journal of Plasticity》上發(fā)表題為“On the deformation behavior of CoCrNi medium entropy alloys: Unraveling mechanistic competition”的文章。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118372

文章認為微觀結(jié)構(gòu)變形機制貢獻應(yīng)反映在總應(yīng)變調(diào)節(jié)的程度上，使用原子模擬方法研究了單軸拉伸下納米晶CoCrNi MEA的機械響應(yīng)與晶粒尺寸和化學短程有序(SRO)的關(guān)系。通過利用基于連續(xù)體的運動學指標，變形機制貢獻可以直接從應(yīng)變量中解決。研究發(fā)現(xiàn)，在初始加載過程中，部分位錯滑移會發(fā)生變形，這與實驗觀察結(jié)果一致。在持續(xù)加載下，控制變形機制轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶和完美的位錯滑移。此外，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)于最大強度的晶粒尺寸在SRO的存在下減小。

圖1a和1b分別顯示了等原子NC CoCrNi MEA的初始和最終結(jié)構(gòu)（即MC-MD模擬前后），平均晶粒尺寸為12nm。在初始結(jié)構(gòu)中沒有化學短程有序。存在隨機分布的Ni、Co和Cr原子。在混合MC-MD模擬后獲得的最終結(jié)構(gòu)（圖1b）中，觀察到一定程度的化學SRO，與實驗結(jié)果一致。這里應(yīng)該注意的是，SRO的存在是在實驗研究中從衍射和快速傅里葉變換中觀察到的額外漫射點定量確定的透射電子顯微鏡下的圖案。從這些模式中，定性地表明SRO的性質(zhì)是最近相鄰Cr-Cr對被強烈抑制。

圖1 12nm晶粒尺寸NCCoCrNiMEA結(jié)構(gòu)(a)和(b)分別沒有和有SRO（圖中的插圖顯示了一個小區(qū)域，具有不同原子種類的相應(yīng)分布）。(c)平均Warren-Cowley參數(shù)的條形圖，，對于最終NC結(jié)構(gòu)中的不同原子物種對，在混合MC-MD模擬后獲得。(d)具有和不具有SRO的12nm晶粒尺寸NCMEA結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如在108s-1應(yīng)變速率下從單軸拉伸MD模擬獲得的（繪制的值是從沿三個加載獲得的平均值正交方向）。

圖2 總應(yīng)變調(diào)節(jié)的百分比，通過（a）單獨的變形機制和（b）描繪的IG機制，作為施加應(yīng)變的函數(shù)，在具有（實線）和不具有（虛線）SRO的12nm晶粒尺寸NCCoCrNiMEA結(jié)構(gòu)的單軸拉伸載荷期間

圖3在16%的應(yīng)用應(yīng)變下，使用SRO切割12nm晶粒尺寸的變形NCMEA結(jié)構(gòu)。切片中的原子根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)、變形機制和vonMises應(yīng)變著色

圖4 (a)流動狀態(tài)下單個變形機制對總應(yīng)變調(diào)節(jié)的平均百分比，作為具有（實線）和不具有（虛線）SRO的NCMEA結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸的函數(shù)，從應(yīng)變速率為5×10⁸s^-1的單軸拉伸載荷獲得。(b)平均WC參數(shù)的條形圖，在具有不同晶粒尺寸的SRO的NCMEA結(jié)構(gòu)中。(c)具有（實線）和不具有（虛線）SRO的NCMEA結(jié)構(gòu)中流動應(yīng)力隨晶粒尺寸的變化

圖5 在不同的施加應(yīng)變百分比下，通過具有SRO的12nm晶粒尺寸的變形NCMEA結(jié)構(gòu)切片（未顯示彈性變形原子）。切片中的原子根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)和變形機制著色（GB機制中的原子根據(jù)vonMises應(yīng)變著色）

在這項工作中，使用大規(guī)模MD模擬研究了NCCoCrNiMEA合金在單軸拉伸下的變形行為。潛在變形機制對整體應(yīng)變調(diào)節(jié)的貢獻使用后處理運動學指標進行量化，并使用平面斷層能量的估計進行解釋。具體來說，研究了機械貢獻隨晶粒尺寸和SRO的變化。總而言之，這項研究表明根據(jù)應(yīng)變調(diào)節(jié)量，部分位錯滑移的貢獻在所有IG變形機制中是最高的。貢獻在施加應(yīng)變的10%左右達到峰值，之后趨于減小，這表明部分滑動是初始加載期間的主要IG機制，這與實驗結(jié)果一致。大的局部滑移活動歸因于小比率，發(fā)現(xiàn)其值隨著SRO的降低而進一步降低。

機械貢獻隨施加應(yīng)變變化的趨勢表明，在較大的施加應(yīng)變值下，完美位錯滑移和孿晶機制對應(yīng)變調(diào)節(jié)的綜合貢獻應(yīng)該大于部分位錯滑移的貢獻。該結(jié)果與實驗觀察結(jié)果部分一致，其中孿晶被列為加載后期的主要變形模式，但是，在此類實驗研究中，其貢獻并未與完美位錯滑移直接比較。

還發(fā)現(xiàn)CoCrNiMEA具有更大的比和更小的比純鎳，因此具有更高的孿晶傾向；這種趨勢也反映在MD模擬的變形機制的相對貢獻中。然而，MD模擬結(jié)果進一步表明，在具有SRO的MEA結(jié)構(gòu)中，孿晶比沒有的更明顯。

發(fā)現(xiàn)在具有SRO的NCMEA結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出最大流變應(yīng)力的晶粒尺寸小于沒有SRO的晶粒尺寸。這一發(fā)現(xiàn)表明，除了增加強度之外，SRO通過降低GB機制（例如，滑動、原子改組等）在所有晶粒尺寸上的貢獻來延遲逆霍爾-佩奇效應(yīng)。因此，在SRO的存在下，發(fā)現(xiàn)GBs控制整體變形的最強晶粒尺寸會減小。它還驗證了一個重要概念，即NC金屬/合金的最大強度對應(yīng)于晶粒尺寸，其中主要變形機制從IG轉(zhuǎn)變?yōu)榛?/span>GB的機制。