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計算文獻導讀（十二）：Nat. Commun. | 難熔高熵合金中位錯遷移率及化學短程有序效應的分子動力學模擬

來源：科學10分鐘時間：2021-09-18 11:09:04 瀏覽：3976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)固溶體的形式結晶。這些合金由于其優異的抗軟化性和極高的熔點，被認為是高溫應用中很有前途的候選材料。高熵合金(HEAs)的一個特征是，存在局部化學短程有序(SRO)的可能性，影響缺陷的運動，從而可能影響力學性能。然而迄今為止，還沒有關于SRO對bcc RHEAs大尺度缺陷性能影響的詳細研究，尤其是位錯遷移率的影響。

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研究結果

近日，來自美國加州大學圣地亞哥分校的Shyue Ping Ong和加州大學伯克利分校的Mark Asta & Robert O. Ritchie等研究人員，基于高精度機器學習原子間勢的寬泛分子動力學模擬，研究了體心立方MoNbTaW RHEA中螺位錯和刃位錯在寬溫度范圍內的移動機制。SRO的存在增強了邊位錯的遷移率，而螺位錯運動中雙扭形核的速率降低了，盡管這種影響在溫度升高時會減弱。在不考慮SRO的情況下，在螺旋運動中觀察到交叉滑移鎖定機制，這為耐火高熵合金系統提供了額外的強化。

計算分析

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

圖1 機器學習原子間相互作用勢的開發與評估

為了研究SRO對位錯遷移率的影響，研究人員開發了兩個模擬單元，可以用于MD中的模擬，一個對應于隨機固溶體(RSS)，另一個對應于800 K溫度下SRO的平衡狀態。為了平衡SRO狀態，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的應用應力下，RSS樣品中螺位錯的速度與應力數據，而圖2b實線表示相同條件下SRO試樣中螺位錯的對應結果。結果表明，在低溫條件下，螺位錯在較低的外加應力下不發生移動。

圖2 SRO對螺位錯速度的影響

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

對于溫度范圍從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效應在這些圖中有明顯的衰減。當溫度達到2000 K時，圖2f中分別代表RSS和SRO樣品中螺位錯遷移率的虛線和實線基本重合。

對螺位錯滑移過程中原子構型的分析表明，在中低溫度和應力條件下，位錯長度和時間尺度下位錯運動的主導機制，與熱激活的扭結對成核和遷移相對應，具有很強的溫度依賴性。

圖3 扭結成核機理及交叉滑移鎖定的觀察

在圖3b中，RSS和SRO樣品在1200 K時的速度都顯示出兩個速度非常低的數據點。圖3c為在1.4 GPa切應力下RSS樣品中螺位錯的位移隨時間的模擬結果，可看出位錯最初是通過扭結對形核和遷移機制以恒定速度運動的；然而，在某一點上，由于鎖定機制的形成，這種滑移被阻止，從而沒有觀察到進一步的滑移。

在另一個模擬中，如圖3d所示，對于SRO樣品，剪切應力較高(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象。

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擬合的速度模型如圖4a所示，在此過程中，研究人員假設SRO的主要作用體現在對扭結對形成能的影響，而忽略了它對扭結形成后運動的影響。

圖4 擬合螺位錯遷移率模型及熱熵對SRO強化效果的影響

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

研究人員還考慮了RSS和SRO樣品中刃位錯運動的下一次MD結果。圖5a和b分別為溫度為300~2000 K，應力范圍為0~1.0 GPa時RSS樣品和SRO樣品遷移率數據的結果。通過比較螺位錯和刃位錯的行為可以發現，在相同的外加應力下，刃位錯的速度明顯高于螺位錯的速度。

圖5 SRO對刃位錯速度的影響

通過對比圖5a和圖b中的速度數據，研究了SRO對刃位錯運動的影響。在低應力和中應力狀態下，SRO體系的位錯速度與RSS體系的位錯速度存在顯著差異。然而，在圖5b中，當SRO存在時，摩擦現象并不像RSS樣品中那樣有效。相反，刃位錯并非靜止不動，而是在低應力狀態下以非常低的平均速度(<2 ?/ps)滑動。

與RSS樣品相比，SRO樣品的刃位錯速度增強。然而，盡管局部滑移面變得隨機性，在SRO和RSS樣品中，刃位錯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運動破壞，相鄰平面上的SRO也會影響刃位錯。

圖6a, b為表示樣品中SRO狀態的示意圖，對于有SRO的系統，當刃位錯多次穿過周期邊界時，其滑移面上的有序已經被破壞，但鄰近區域的原子的溶質構型仍然顯示出SRO，如圖6a所示。