高熵合金（HEAs）是具有非稀釋溶質(zhì)濃度的多組分合金，保留了單相結(jié)構(gòu)。各種高熵合金具有令人印象深刻的機(jī)械性能，如室溫下的高屈服強(qiáng)度、高極限強(qiáng)度、高延展性和/或高斷裂韌性。隨著人們對(duì)此類(lèi)復(fù)雜合金冶金學(xué)興趣的增加，強(qiáng)化機(jī)理研究已成為一個(gè)研究課題。有人提出了一個(gè)通用理論模型，用于預(yù)測(cè) FCC 和 BCC HEA 隨溫度和應(yīng)變速率變化的屈服強(qiáng)度。該理論假定，溶質(zhì)-位錯(cuò)相互作用驅(qū)使位錯(cuò)變成波浪形，以便在局部溶質(zhì)排列中找到局部有利的波動(dòng)，將位錯(cuò)段固定在這些局部環(huán)境中。然后，需要結(jié)合解析剪應(yīng)力和溫度來(lái)產(chǎn)生熱激活位錯(cuò)滑行和體積塑性流動(dòng)。隨機(jī) FCC 和 BCC 合金的理論在許多不同的合金體系中都顯示出良好的一致性，并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，提供了易于應(yīng)用于新合金或設(shè)計(jì)新合金的解析公式。最近提出了一種具有短程有序（SRO）的多組分非稀釋合金強(qiáng)化理論。該理論預(yù)測(cè)，除了眾所周知的熱強(qiáng)化外，SRO 對(duì)溶質(zhì)-位錯(cuò)相互作用也有顯著影響，相對(duì)于隨機(jī)合金，它可以降低或提高強(qiáng)度。

來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)者在二元鈮鎢合金模型中進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)的原子模擬，以證明由于溶質(zhì)-位錯(cuò)相互作用而產(chǎn)生的合金強(qiáng)度可以增加或減少，這取決于 SRO，并與理論預(yù)測(cè)一致。具體來(lái)說(shuō)，在具有極小真實(shí)溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用的合金體系中，使用虛構(gòu)的溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用引入 SRO，然后使用裸彈帶（NEB）方法計(jì)算各種 SRO 水平下邊緣位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能量勢(shì)壘。當(dāng) Warren-Cowley SRO 參數(shù)為負(fù)值（不同溶質(zhì)的吸引力）時(shí)，能壘和合金強(qiáng)度都會(huì)降低。同一體系的理論預(yù)測(cè)與模擬結(jié)果在數(shù)量上保持了合理的一致。這些研究結(jié)果表明，SRO 有可能會(huì)降低強(qiáng)度，這一點(diǎn)出乎意料，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了分析理論作為合金設(shè)計(jì)指導(dǎo)工具的有效性。相關(guān)工作以題為“Atomistic simulations reveal strength reductions due to short-range order in alloys”的研究性文章發(fā)表在Acta Materialia 。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119471

圖 1. (a) 用 EAM 電位計(jì)算的鈮鉭鎢合金族中濃度為 50%-50%的二元合金的絕對(duì)錯(cuò)配體積。(b) 用 EAM 電位計(jì)算的 BCC MoNbTaW 系列的有效對(duì)電位 V^eff_pq 與歸一化 rth 近鄰對(duì)分離 d_r 的有效對(duì)電位與歸一化近鄰對(duì)間隔的函數(shù)關(guān)系。

圖 2. (a) 和 (b) 顯示平均原子NbW 合金中 Nb 溶質(zhì)和 W 溶質(zhì)的溶質(zhì)-邊緣位錯(cuò)相互作用能量 Uⁿ _sd,i。(c) 和 (d) 顯示 Nb 和 W 溶質(zhì)的溶質(zhì)-邊緣位錯(cuò)相互作用 Uⁿ_sd,i的彈性估計(jì)值。(e) 和(f) 顯示殘余化學(xué)Uⁿ _chem相互作用。

.

圖 3. 不同 x⁽¹⁾ 值的蒙特卡羅模擬計(jì)算得出的兩種不同元素（本文中為 W 和 Nb）之間的 SRO 參數(shù)（4 個(gè)樣本的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差），作為歸一化 r-最近鄰對(duì)分離度的函數(shù)

圖 4. 平均強(qiáng)化應(yīng)力τ_A直接原子模擬和使用 4 個(gè)近鄰對(duì)的 SRO 進(jìn)行的理論預(yù)測(cè)。相應(yīng)的 SRO 參數(shù)如圖 3 所示。

圖 5. (a) 在 x⁽¹⁾=1.3 條件下，蒙特卡羅模擬生成的位錯(cuò)通過(guò)一個(gè)帶有 SRO 的模擬單元時(shí)的能量分布與位置關(guān)系。最小值和最大值分別標(biāo)為紅色和藍(lán)色。標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)上圖所示的差排構(gòu)型。(b) 位錯(cuò)位置 1 和 2 之間的原子構(gòu)型和 NEB 計(jì)算示意圖。

圖 6. 位錯(cuò)在 +x 和 -x 方向滑行的能量勢(shì)壘累積概率分布，以惰性 x⁽¹⁾=0.8 產(chǎn)生的 SRO 系統(tǒng)為例。平均強(qiáng)化效應(yīng)會(huì)使 +x 方向上的勢(shì)壘偏小，通過(guò)平均兩個(gè)方向上的勢(shì)壘，可以消除這種效應(yīng)。

圖 7. 能量勢(shì)壘 ΔE_b與 SRO 程度的累積概率分布，由韌度和第一相鄰 WC SRO參數(shù)表征。x⁽¹⁾=1.0 相當(dāng)于隨機(jī)合金。

本研究對(duì)帶有 SRO 的 BCC 合金中邊緣位錯(cuò)滑移的障礙進(jìn)行了詳細(xì)的原子研究。SRO 的一種強(qiáng)化效應(yīng)是由于破壞 SRO 的位錯(cuò)滑移而產(chǎn)生的熱強(qiáng)化。SRO 的第二種強(qiáng)化效應(yīng)是由于存在 SRO 時(shí)局部溶質(zhì)波動(dòng)的變化而產(chǎn)生的熱激活強(qiáng)度，這種變化會(huì)影響溶質(zhì)-差排的集體相互作用能。我們?cè)u(píng)估了 SRO 對(duì)屈服應(yīng)力的這兩種主要影響，并使用合適的 EAM 勢(shì)，將其與針對(duì)具有 SRO 的合金的新強(qiáng)化理論進(jìn)行了比較。在強(qiáng)度變化與 SRO 程度的關(guān)系方面，理論分析與模擬之間的良好一致性表明，這種新的強(qiáng)化理論準(zhǔn)確地捕捉到了 SRO 的影響。