Physical Review Materials：對高熵合金固溶體強化的精確從頭計算法

一、導讀

高熵合金(HEA)因其獨特的屈服強度和延展性受到廣泛的關注。其中面心立方(fcc) HEAs的高延展性可以與高強度共存。高強度主要源于位錯與溶質的相互作用，位錯的運動受到阻礙，產生固溶強化(SSS)。目前多元合金中位錯運動的直接建模只能通過半經驗方法實現，這些方法只能提供定性的圖像。與此同時，位錯無法進行從頭算模擬，必須將其與現象學模型結合起來，將位錯與合金元素相互作用的復雜問題簡化為通過第一性原理計算得到的一組參數(如原子有效體積、彈性模量、層錯能等)。最近，Varvenne和Curtin (VC)提出了一種不依賴于任何組分濃度假設的廣義模型，專門用于處理HEA系統。VC模型說明了屈服應力強化效果不直接取決于組分的數量，也不一定由實驗中經常使用的等摩爾組成來實現最大化。相反，通過最大化平均均方失配體積來實現最大屈服應力，同時最小化對彈性性能的潛在負面影響，即與主元素等摩爾比的合金相比，非等摩爾成分可以顯著改善力學性能。

VC模型已成功應用于許多系統。然而，模型參數通常根據實驗數據確定或估計，這限制了模型的適用性和預測能力。另一方面，這些參數可以使用密度泛函理論（DFT）從頭計算，但準確性受到(半)局部交換相關(XC)泛函對合金或元素在基態的平衡體積產生的一般誤差的強烈影響。這導致了合金的平均摩爾體積和組成元素的不匹配體積的總體差異，這種差異在基于三維金屬鐵基的HEA中影響更大。

二、成果掠影

萊奧本研究有限公司材料中心的Franco Moitzi等研究者提出了一種基于相干勢近似(CPA)的計算成本低廉的方法，解決了上述基于DFT建模的局限性，該方法提供了一種非常一致的方式來描述VC模型下有效合金的特性。該方法中，通過使用元素特定的修正來調整平衡體積，同時也改善了其他平衡性質。并且該方法還考慮了磁介導和聲子自由度介導的有限溫度效應，這對于描述室溫以上SSS的溫度依賴性尤為重要。

相關研究工作以“Accurate ab initio modeling of solid solution strengthening in high entropy alloys”為題發表在國際頂級期刊Physical Review Materials上。

三、核心創新點

本文提出了一種基于相干電位近似內的從頭計算的高效計算方法。為了使該方法具有預測性，對狀態方程應用了交換相關修正，并考慮了熱效應對磁性和平衡體積的影響。該方法與已有的固體溶液體性質實驗數據吻合良好。作為具體案例，本文將該工作流程應用于一系列鐵基HEA，在基于合金有效介質表示的無參數模型中研究其固溶體強化，結果揭示了合金元素之間復雜的相互作用。該方法計算效率高，可作為優化設計的學習工作的基礎。

四、數據概覽

圖1 無序順磁性和非磁性合金原子體積和體積模量的實驗和計算比較。?2022 American Physical Society

圖2 實驗測量和計算、失配和平衡體積的比較。虛線表示實驗平衡體積。?2022 American Physical Society

圖3 NiCoCr (a)， FeNiCoCr (b)和FeMnNiCoCr (c)的理論和實驗中CRSS ?Δτ值與溫度的關系。?2022 American Physical Society

圖4 (a) NiCoCr (b) FeNiCoCr和(c) FeMnNiCoCr合金各元素的失配體積與溫度的關系。?2022 American Physical Society

圖5 (a) NiCoCr、(b) FeNiCoCr和(c) FeMnNiCoCr中理論和實驗得出的VC模型主要參數與溫度的關系。?2022 American Physical Society

五、成果啟示

研究證明了使用DFT和CPA相結合的方法可以相當可靠地描述像臨界分辨剪應力這樣復雜的合金性能。該方法的關鍵在于使用元素特定的XC壓力校正獲得了平衡體積的準確值。平衡體積的改進也使彈性常數、磁矩等其它平衡性質的結果更加精確。此外，該方法考慮了聲子和磁介導的溫度效應，所以能夠預測合金在有限溫度下的行為。該文章用一系列合金的實驗數據驗證了計算方法，作者認為如果磁性的特征表述得到了改進，該模型可以與現有的三維金屬合金實驗數據結合使用。

原文詳情：https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.103602

本文由張熙熙供稿。

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