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計(jì)算文獻(xiàn)導(dǎo)讀（十二）：Nat. Commun. | 難熔高熵合金中位錯(cuò)遷移率及化學(xué)短程有序效應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2021-09-18 11:09:04 瀏覽：2859次

研究背景

難熔高熵合金(RHEAs)，主要是由難熔元素組成，并且總是以體心立方(bcc)固溶體的形式結(jié)晶。這些合金由于其優(yōu)異的抗軟化性和極高的熔點(diǎn)，被認(rèn)為是高溫應(yīng)用中很有前途的候選材料。高熵合金(HEAs)的一個(gè)特征是，存在局部化學(xué)短程有序(SRO)的可能性，影響缺陷的運(yùn)動(dòng)，從而可能影響力學(xué)性能。然而迄今為止，還沒有關(guān)于SRO對(duì)bcc RHEAs大尺度缺陷性能影響的詳細(xì)研究，尤其是位錯(cuò)遷移率的影響。

↓點(diǎn)擊快速預(yù)約高熵合金力學(xué)性能計(jì)算↓

研究結(jié)果

近日，來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Shyue Ping Ong和加州大學(xué)伯克利分校的Mark Asta & Robert O. Ritchie等研究人員，基于高精度機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢的寬泛分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了體心立方MoNbTaW RHEA中螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)在寬溫度范圍內(nèi)的移動(dòng)機(jī)制。SRO的存在增強(qiáng)了邊位錯(cuò)的遷移率，而螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中雙扭形核的速率降低了，盡管這種影響在溫度升高時(shí)會(huì)減弱。在不考慮SRO的情況下，在螺旋運(yùn)動(dòng)中觀察到交叉滑移鎖定機(jī)制，這為耐火高熵合金系統(tǒng)提供了額外的強(qiáng)化。

計(jì)算分析

在此，研究人員開發(fā)了一種基于矩張量勢(MTP)形式的MoNbTaW RHEA方法，該方法在精度和計(jì)算成本之間具有良好的平衡，構(gòu)建MTP的流程圖如圖1a所示。圖1b, c顯示了在訓(xùn)練集和測試集上DFT-和MTP-能量和力預(yù)測的比較。研究發(fā)現(xiàn)，用MTP得到的位錯(cuò)偶極子能分布與之前的DFT結(jié)果非常吻合。這些結(jié)果表明，MTP提供了位錯(cuò)核心能量隨局部環(huán)境變化的精確模型，促進(jìn)了其在當(dāng)前位錯(cuò)遷移的MD研究中的應(yīng)用。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)原子間相互作用勢的開發(fā)與評(píng)估

為了研究SRO對(duì)位錯(cuò)遷移率的影響，研究人員開發(fā)了兩個(gè)模擬單元，可以用于MD中的模擬，一個(gè)對(duì)應(yīng)于隨機(jī)固溶體(RSS)，另一個(gè)對(duì)應(yīng)于800 K溫度下SRO的平衡狀態(tài)。為了平衡SRO狀態(tài)，研究人員采用了MD/蒙特卡羅(MD/MC)混合方法。

在圖2中，溫度從300變化到2000 K，虛線表示在0至3.0 GPa的應(yīng)用應(yīng)力下，RSS樣品中螺位錯(cuò)的速度與應(yīng)力數(shù)據(jù)，而圖2b實(shí)線表示相同條件下SRO試樣中螺位錯(cuò)的對(duì)應(yīng)結(jié)果。結(jié)果表明，在低溫條件下，螺位錯(cuò)在較低的外加應(yīng)力下不發(fā)生移動(dòng)。

圖2 SRO對(duì)螺位錯(cuò)速度的影響

圖2c-h比較了不同溫度下，有SRO和沒有SRO時(shí)的螺位錯(cuò)速度。在300 K時(shí)(圖2c)， SRO的影響非常明顯；根據(jù)速度曲線上的位移，可以估計(jì)SRO的額外強(qiáng)度為~180 MPa。

對(duì)于溫度范圍從T = 800到2000 K, SRO在較高溫度下的影響如圖2e, f所示。隨著溫度的升高，SRO效應(yīng)在這些圖中有明顯的衰減。當(dāng)溫度達(dá)到2000 K時(shí)，圖2f中分別代表RSS和SRO樣品中螺位錯(cuò)遷移率的虛線和實(shí)線基本重合。

對(duì)螺位錯(cuò)滑移過程中原子構(gòu)型的分析表明，在中低溫度和應(yīng)力條件下，位錯(cuò)長度和時(shí)間尺度下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)機(jī)制，與熱激活的扭結(jié)對(duì)成核和遷移相對(duì)應(yīng)，具有很強(qiáng)的溫度依賴性。

圖3 扭結(jié)成核機(jī)理及交叉滑移鎖定的觀察

在圖3b中，RSS和SRO樣品在1200 K時(shí)的速度都顯示出兩個(gè)速度非常低的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖3c為在1.4 GPa切應(yīng)力下RSS樣品中螺位錯(cuò)的位移隨時(shí)間的模擬結(jié)果，可看出位錯(cuò)最初是通過扭結(jié)對(duì)形核和遷移機(jī)制以恒定速度運(yùn)動(dòng)的；然而，在某一點(diǎn)上，由于鎖定機(jī)制的形成，這種滑移被阻止，從而沒有觀察到進(jìn)一步的滑移。

在另一個(gè)模擬中，如圖3d所示，對(duì)于SRO樣品，剪切應(yīng)力較高(2.0 GPa)，研究人員可以在模擬過程中可觀察到鎖的形成和自解鎖現(xiàn)象。

↓點(diǎn)擊快速預(yù)約基體材料位錯(cuò)切割第二相團(tuán)簇模擬↓

擬合的速度模型如圖4a所示，在此過程中，研究人員假設(shè)SRO的主要作用體現(xiàn)在對(duì)扭結(jié)對(duì)形成能的影響，而忽略了它對(duì)扭結(jié)形成后運(yùn)動(dòng)的影響。

圖4 擬合螺位錯(cuò)遷移率模型及熱熵對(duì)SRO強(qiáng)化效果的影響

利用RSS樣本的擬合參數(shù)，保持模型中所有其他參數(shù)不變，僅對(duì)SRO樣本擬合ΔH_DAPB。圖4b顯示了擬合模型和SRO系統(tǒng)的模擬結(jié)果。從目前的模型來看，ΔH_DAPB應(yīng)與樣本中SRO的程度呈正相關(guān)；ΔH_DAPB越大，SRO增強(qiáng)效果越好。該模型還表明，在高溫(2000 K)下，SRO的強(qiáng)化效果明顯低于室溫(300 K)，這與MD結(jié)果一致。

研究人員還考慮了RSS和SRO樣品中刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的下一次MD結(jié)果。圖5a和b分別為溫度為300~2000 K，應(yīng)力范圍為0~1.0 GPa時(shí)RSS樣品和SRO樣品遷移率數(shù)據(jù)的結(jié)果。通過比較螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的行為可以發(fā)現(xiàn)，在相同的外加應(yīng)力下，刃位錯(cuò)的速度明顯高于螺位錯(cuò)的速度。

圖5 SRO對(duì)刃位錯(cuò)速度的影響

通過對(duì)比圖5a和圖b中的速度數(shù)據(jù)，研究了SRO對(duì)刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響。在低應(yīng)力和中應(yīng)力狀態(tài)下，SRO體系的位錯(cuò)速度與RSS體系的位錯(cuò)速度存在顯著差異。然而，在圖5b中，當(dāng)SRO存在時(shí)，摩擦現(xiàn)象并不像RSS樣品中那樣有效。相反，刃位錯(cuò)并非靜止不動(dòng)，而是在低應(yīng)力狀態(tài)下以非常低的平均速度(<2 ?/ps)滑動(dòng)。

與RSS樣品相比，SRO樣品的刃位錯(cuò)速度增強(qiáng)。然而，盡管局部滑移面變得隨機(jī)性，在SRO和RSS樣品中，刃位錯(cuò)的速度仍然存在顯著差異，因此，研究人員推測，即使滑移面上的有序被位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)破壞，相鄰平面上的SRO也會(huì)影響刃位錯(cuò)。

圖6a, b為表示樣品中SRO狀態(tài)的示意圖，對(duì)于有SRO的系統(tǒng)，當(dāng)刃位錯(cuò)多次穿過周期邊界時(shí)，其滑移面上的有序已經(jīng)被破壞，但鄰近區(qū)域的原子的溶質(zhì)構(gòu)型仍然顯示出SRO，如圖6a所示。