顆粒在線訊：將金屬和合金的強度和延展性同時提升，一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。在此，來自香港大學、美國田納西大學、新加坡高性能計算研究所等單位研究者，采用蒙特卡羅方法、分子動力學模擬和密度泛函理論計算相結(jié)合的方法，研究了CoCuFeNiPd高熵合金(HEA)。相關(guān)論文以題為“Simultaneously enhancing the ultimate strength and ductility of high-entropy alloys via short-range ordering”發(fā)表在Nature Communications上。

傳統(tǒng)的金屬合金，通常由一或兩種主要元素與少量添加的其他元素組成(如鈦合金、鎂合金和鋁合金)。2004年，Yeh等人和Cantor等人提出了一類合金，其包含5種或5種以上的金屬元素的原子濃度相等或接近相等；它們現(xiàn)在被廣泛地稱為復(fù)合合金或高熵合金(HEAs)。許多實驗研究表明，HEA的強度和延展性高度依賴于其微/納米結(jié)構(gòu)。理解HEA的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，可以實現(xiàn)合理的HEA設(shè)計。

截至目前，研究者已經(jīng)提出了幾種方法來調(diào)整HEA微觀結(jié)構(gòu)，以促進強度-塑性協(xié)同，例如：修飾包括在面心立方(FCC) (FeCoNi)86-Al7Ti7或Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2中引入Ll2金屬間化合物納米析出物，F(xiàn)e50Mn30Co10Cr10或Cr20Mn6Fe34Co34Ni6的雙相FCC/六方緊密堆積(HCP)微觀結(jié)構(gòu)，Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5中相鄰微米級超晶格晶粒之間的納米級無序界面，層狀共晶AlCoCrFeNi2.1，顆粒間有B2析出相，體心四方納米析出相為體心立方(BCC) Ti38V15Nb23Hf24，Al0.1CoCrFeNi的非均相再結(jié)晶/再結(jié)晶微觀組織，TiZrHfNb的有序氧配合物。

最近，Ding等人合成了FCC CoCrFeNiPd和CoCrFeNiMn HEAs。前者的屈服強度高于后者，拉伸韌性相當。這兩種HEAs的本質(zhì)區(qū)別與原子分離和短程有序(SRO)有關(guān)；與CoCrFeNiMn相比，CoCrFeNiPd中兩者均增強。SRO傾向于產(chǎn)生變形/滑移阻力，導(dǎo)致在更有序的CoCrFeNiPd中比在CoCrFeNiMn HEAs中更大的位錯滑移阻力。理論工作表明，強化主要是由于在CoCrFeNi中Pd的原子/錯配體積大。中熵合金(MEAs)中也存在SRO現(xiàn)象。CoCrNi MEA的原子結(jié)構(gòu)表明，Cr有利于Ni和Co鄰居，降低了電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率，提高了堆垛錯能和硬度。

MC(蒙特卡洛)/MD(分子動力學)混合模擬，已被證明是探索原子偏析和SRO對MEAs和HEAs力學性能影響的有力工具。眾多模擬結(jié)果表明，屈服強度受成核肖克利部分位錯所需應(yīng)變的控制；LD降低了應(yīng)力，而SRO增加應(yīng)力。HEAs的短程有序比MEAs的復(fù)雜(隨著HEAs中不同原子對數(shù)量的增加)，表明HEAs提供了一個更豐富的環(huán)境來調(diào)節(jié)它們的順序和微觀結(jié)構(gòu)，以獲得優(yōu)異的強度和延展性。這里有幾個問題需要指出，是否有可能在HEAs中引入SRO來提高強度和延展性？如果是，需要什么微觀結(jié)構(gòu)？這些增長背后的機制原因是什么？這些關(guān)鍵問題是合理的HEA加工策略和高性能結(jié)構(gòu)金屬合金設(shè)計的基礎(chǔ)。

此文中，研究者進行了混合MC/MD模擬，以探索SRO對等原子CoCuFeNiPd HEA力學性能的影響。研究者采用蒙特卡羅方法通過優(yōu)化SRO來交換不同類型的原子以降低合金的能量，采用MD方法放松局部原子結(jié)構(gòu)/位移并模擬拉伸變形。所有元素對采用Warren-Cowley參數(shù)(WCPs)來描述SRO。MC/MD模擬表明，在CoCuFeNiPd HEA中SRO的發(fā)展是有利的，這也被DFT計算驗證。這種SRO的特點是，具有廣泛的局部環(huán)境/原子-尺度構(gòu)型。

研究者在該HEA中進行了有和無SRO的MD拉伸變形模擬，結(jié)果表明，SRO既提高了HEA的極限強度，也提高了HEA的延性。潛在的變形機制是在極限拉應(yīng)力之前的相變和在極限拉應(yīng)力之后的位錯滑移。研究者通過分析FCC和BCC結(jié)構(gòu)(對局部元素濃度敏感)的局部相對穩(wěn)定性來探索應(yīng)變誘導(dǎo)的相變。SRO在HEA中提高極限強度和延性的基本機制是由三種類型的簇的機械響應(yīng)來描述的：無關(guān)簇扮演基質(zhì)的角色，F(xiàn)CC-優(yōu)選的簇作為硬填料，增強強度；BCC-優(yōu)選的簇作為軟填料，提高HEA的延展性。

圖1 CoCuFeNiPd HEA在300 K迭代期間的勢能、原子構(gòu)型和Warren-Cowley參數(shù)。

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圖2 CoCuFeNiPd HEA在在300 K(0,2和4 M樣品)下，在300 K和1200 K的張力下，進行0,2×106和4×106次迭代后拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、原子構(gòu)型和相變。

圖3 在300 K時，CoCuFeNiPdHEA在0(0樣品)和2×106 (2 M樣品)迭代時的原子構(gòu)型、相穩(wěn)定性和局部結(jié)構(gòu)。

圖4 CoCuFeNiPd HEA中不同相偏好原子的數(shù)量分數(shù)、元素濃度和空間分布。

圖5 2 M試樣在300 K時加、卸載過程中的平均應(yīng)力、應(yīng)力分布、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和平均應(yīng)變。

圖6 示意圖說明了通過短程有序同時增強強度和延展性的HEAs設(shè)計策略。

綜上所述，研究者進行了迭代MC和MD模擬，來檢驗SRO在CoCuFeNiPd HEA中的演變，并進行MD模擬來研究SRO對力學行為的影響。在SRO形成過程中，一小部分區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC-優(yōu)選結(jié)構(gòu)(BCC比FCC更穩(wěn)定)，另一部分區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅娏业腇CC-優(yōu)選結(jié)構(gòu)(FCC比BCC更穩(wěn)定)。由此得到的結(jié)構(gòu)是由邊緣穩(wěn)定的基體中非常穩(wěn)定的FCC-優(yōu)先(FCCP)區(qū)域和BCC-優(yōu)先(BCCP)區(qū)域組成的偽復(fù)合組織。拉伸變形模擬結(jié)果表明，SRO的發(fā)展提高了HEA的極限強度和延性。這些增強的來源可以追溯到SRO誘導(dǎo)形成的偽復(fù)合組織；這包括邊緣相穩(wěn)定的基體中的FCCP硬化域和BCCP增韌域。

因此，研究者在此提出了一種在HEAs中通過SRO同時獲得優(yōu)異強度和延展性的策略。本研究不僅揭示了SRO對HEAs強度和延性的調(diào)控作用，而且為工程應(yīng)用中合理設(shè)計高性能HEAs提供了指導(dǎo)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25264-5