擴(kuò)展缺陷，包括位錯(cuò)、堆積斷層（SF）和晶界（GB），對工程合金的性能起著重要作用。在實(shí)踐中，這些缺陷容易造成元素偏析，即局部成分濃度增加，這可能會從根本上改變材料的機(jī)械性能。對于由高濃度多種主要元素組成的高熵合金 (HEA)，研究表明，擴(kuò)展缺陷周圍的化學(xué)偏析比傳統(tǒng)合金更為明顯，會嚴(yán)重影響其機(jī)械性能，如脫粘和斷裂。在由多主元素組成的高熵合金（HEAs）中，圍繞擴(kuò)展缺陷的元素偏析很常見，這會嚴(yán)重影響其機(jī)械性能。在高熵合金中，偏析的驅(qū)動力通常與化學(xué)短程有序（CSRO）的形成相競爭，這使得闡明偏析機(jī)制具有挑戰(zhàn)性。

來自香港城市大學(xué)的學(xué)者利用蒙特卡羅和分子動力學(xué)（MC/MD）混合模擬和理論分析，系統(tǒng)研究了 CoNiCrFe HEA 中位錯(cuò)、堆疊斷層和晶界（GBs）等擴(kuò)展缺陷周圍的化學(xué)成分變化，以探索化學(xué)-結(jié)構(gòu)-力學(xué)關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)在這項(xiàng)研究中考慮的所有缺陷周圍都存在明顯的鉻富集和 Co/Ni/Fe貧化現(xiàn)象。在擴(kuò)展缺陷附近，本研究發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)無序程度與化學(xué)偏析/貧化現(xiàn)象之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，由于 HEA 的化學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜，CSRO 不可避免地會導(dǎo)致元素重排并影響偏析。因此，HEA 中的偏析行為主要由不同原子對之間的相互作用控制，偏析熵也起著主導(dǎo)作用。通過將元素偏析和 CSRO 的強(qiáng)化貢獻(xiàn)解耦，本研究證明并強(qiáng)調(diào)了元素偏析可以調(diào)節(jié) HEA 的強(qiáng)化。通過對添加了不同鐵元素的 CoNiCrFe 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，證明了元素偏析對界面性能的積極影響--提高了極限拉伸強(qiáng)度和伸長率。這項(xiàng)工作闡明了元素偏析和 CSRO 共存的 HEA 中異質(zhì)元素分布的機(jī)理，為通過調(diào)節(jié)成分變化來操縱其機(jī)械性能鋪平了道路。相關(guān)工作以題為“Mechanism of elemental segregation around extended defects in high-entropy alloys and its effect on mechanical properties”的研究性文章發(fā)表在 。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119537

本研究關(guān)注了不同鐵含量的CoNiCrFe HEA 中擴(kuò)展缺陷周圍的元素偏析機(jī)制，以揭示偏析傾向與 CSRO 之間的相互作用。典型的擴(kuò)展缺陷包括線缺陷（即肖克利部分位錯(cuò)，SPDs）、平面缺陷（堆疊斷層，SFs）和 GBs（即對稱傾斜 GBs 和具有不同錯(cuò)向角的非對稱傾斜 GBs）。眾所周知，在 CoNiCrFe 中，鉻傾向于在 GB 周圍偏析。通過調(diào)整鐵的成分，可以有效地改變偏析程度和 CSRO，這要?dú)w功于鐵-鉻對顯著的正混合焓（根據(jù) THEMOCALC TCFE9 數(shù)據(jù)庫，為 2.7 kJ/mol）。然后，系統(tǒng)分析了在不同溫度和不同鐵濃度條件下化學(xué)偏析與結(jié)構(gòu)紊亂之間的關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)并強(qiáng)調(diào)了與 HEA 中不同擴(kuò)展缺陷周圍元素分布相關(guān)的結(jié)構(gòu)紊亂的重要性。本研究進(jìn)一步闡明了 CSRO和偏析對機(jī)械強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，根據(jù)強(qiáng)化理論將這兩個(gè)因素解耦。這些結(jié)果揭示了 HEA 中偏析和 CSRO 之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。

圖 1. (a)隨機(jī)完美系統(tǒng)、(b)肖克利部分位錯(cuò)（SPD）和(c)堆疊斷層（SF）模型的無松弛原子構(gòu)型示意圖；(d)-(f) 分別為 ATGBs-GB1 （非對稱傾斜晶界，ATGB，Σ13<320>）、STGB-GB2 （對稱傾斜晶界，STGB，Σ11<332>）和 ATGBs-GB3 （ATGB，Σ13<100>）。(b) 中的圓圈代表 SPD 線。(d-f)中的矩形表示 GB 區(qū)域的放大圖像。

圖 2. 在 1000 K 下通過 MC/MD 模擬獲得的 25Fe 中不同缺陷模型的典型原子構(gòu)型及相應(yīng)的原子分?jǐn)?shù)、CSP 和結(jié)構(gòu)紊亂參數(shù) (η^Dis)剖面，分別為 (a) SPD、(b) SF、(c) GB1、(d) GB2 和 (e) GB3。原子構(gòu)型通過原子類型、應(yīng)力、CSP 和結(jié)構(gòu)類型的四個(gè)或三個(gè)彩色編碼面板進(jìn)行說明。原子構(gòu)型視圖后顯示了隨位置變化的相應(yīng)偏析相關(guān)屬性，包括成分、CSP 和無序。

圖 3. 25Fe 和 10Fe 合金中 GB 周圍的元素分布。(a) 25Fe 和 (b) 10Fe HEA 中 GB 的高角度環(huán)形暗場 (HAADF) 圖像，以及 (b,e) 相應(yīng)的 EDS 圖譜。(c,f) GBs 上相應(yīng)的元素分布圖。

圖 4. 不同溫度下 (a) SPD 模型、(b) SF 模型和 (c) 所有 GB模型（包括 GB1、GB2 和 GB3）的鉻元素過量化學(xué)吸收（Γ_Cr）與過量結(jié)構(gòu)紊亂（Γ^tot _Dis）的對比。盡管數(shù)據(jù)點(diǎn)有限且分散，但結(jié)果表明元素的異質(zhì)分布與缺陷結(jié)構(gòu)的無序性之間可能存在直接聯(lián)系。對于 SPD 和 SF 模型，在低鐵濃度模型中獲得的數(shù)據(jù)標(biāo)記為藍(lán)色區(qū)域；在高鐵添加模型中獲得的其他數(shù)據(jù)標(biāo)記為紅色區(qū)域。詳細(xì)的相關(guān)分析見補(bǔ)充材料 A.2.3 節(jié)。GBs 模型中較分散的數(shù)據(jù)點(diǎn)與不同類型的晶界有關(guān)，這些晶界源于三種不同類型的晶界：ATGB-GB1、STGB-GB2 和ATGB-GB3。

圖 5. (a) SF 和 (b) GB2 模型中的界面內(nèi)聚能。Ran 模型是隨機(jī)系統(tǒng)。Seg 模型是在800 K 和 1000 K 下經(jīng)過 MC/MD 處理的系統(tǒng)。

圖 6. CSRO 和 Seg-GB 中的隔離產(chǎn)生的強(qiáng)化效果。

圖 7. 三種合金在 (a) 充氫和 (b) 不充氫狀態(tài)下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) 充氫前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比。(d) 充氫前后極限抗拉強(qiáng)度（τ_UTS）和（e）伸長率（δ）隨鐵濃度的變化。(f) 加氫后不同合金的伸長率損失率和極限拉伸強(qiáng)度降低率。

圖 8. 0 K 時(shí) 25Fe 中四種不同元素的偏析能曲線：(a) GB1、(b) GB2 和(c) GB3。點(diǎn)線和虛線分別是利用 MS（ΔG^seg_md）和經(jīng)典偏析理論（ΔG^seg _th）測得的偏析能。GB 核心用黑色箭頭標(biāo)出。

圖 9. n/Co（n=Ni、Cr、Fe）、n/Ni（n=Co、Cr、Fe）、n/Cr（n=Ni、Co、Fe）和 n/Fe（n=Co、Ni、Cr）的置換能，以及它們在 25Fe (a) 塊體和 (b) GB2 位點(diǎn)中沿 y 方向的平均值。物種 m 的平均置換能是 m 被 n 替代時(shí)的平均能量變化（n≠m）。例如，Co 表示 Ni/Co、Cr/Co、Fe/Co 的平均能量。(c) 25Fe 中 GB 與主體（GB-Bulk）平均取代能之間的取代能差。

本研究系統(tǒng)地分析了擴(kuò)展缺陷周圍的偏析現(xiàn)象：在 300 ∼ 1300 K 的溫度范圍內(nèi)，研究了不同鐵濃度的 CoNiCrFe HEA 中的 SPD、SF 和 GB：

(1)在 CoNiCrFe HEAs 的擴(kuò)展缺陷周圍存在強(qiáng)烈的元素偏析。一般會出現(xiàn)明顯的鉻富集和 Co/Ni/Fe 貧化。由于這種偏析，不同元素之間的成鍵偏好導(dǎo)致鉻和 Co/Ni/Fe之間形成了明顯的濃度差距。

(2)通過分析 CSRO 和偏析的強(qiáng)化效應(yīng)，本研究發(fā)現(xiàn)偏析是調(diào)節(jié) HEA 機(jī)械強(qiáng)度的有效參數(shù)。位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)和界面抗脆性受偏析和 CSRO 的影響。

(3)通過比較三種不同合金成分的極限拉伸強(qiáng)度和伸長率，可以證明元素偏析改善了所研究的HEA 的界面強(qiáng)度和延展性。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了元素偏析對界面性能的積極影響，從而改善了機(jī)械性能，這與模擬結(jié)果一致。

(4)基于對不同方法獲得的偏析能的比較和分析，我們發(fā)現(xiàn)偏析熵在 HEA 的偏析中起著不可忽視的關(guān)鍵作用。僅靠焓項(xiàng)無法完全解釋偏析趨勢。

(5)偏析強(qiáng)化可通過塊體和 GB 位點(diǎn)對強(qiáng)度的相對貢獻(xiàn)來解釋。在這項(xiàng)工作中，GB 中的鉻偏析與塊體中的鈷和鎳富集的耦合強(qiáng)化效應(yīng)導(dǎo)致了偏析強(qiáng)化。