科研动态|我院科研人员揭示体心立方结构高熵合金的特殊位错动力学机制
2020-06-30 14:13:54

体心立方结构(BCC)金属及合金作为一类重要的结构材料,自铁器时代以来就被人类广泛使用。金属材料的强度和塑性与内部缺陷位错的运动密切相关,研究位错的动力学行为对于揭示材料变形的微观机制、优化力学性能极为重要。在BCC金属中,刃型和螺型位错的运动特征具有较大差异:刃型位错滑移阻力非常低,以平滑、快速的方式运动;而螺型位错的临界启动应力较高,其运动速度受限于扭折形核速率,受热激活过程主导(见附图)。因此,低应力下螺型位错的运动速度比刃型位错低几个数量级,且普遍认为BCC金属中诸多力学行为都与螺型位错的运动直接相关。

近些年兴起的高熵合金提出了一种全新的合金设计理念,其由多种元素以等原子比或近等原子比混合而成,打破了传统合金以一种或两种元素为主、辅以少量其他元素来改善合金性能的设计理念。BCC高熵合金体系因其优异的力学性能,尤其是潜在的高温力学性质,得到了人们的广泛关注。尽管前期对BCC高熵合金的设计和开发开展了大量研究,但相关位错运动学的研究则开展较少。与传统金属和合金不同,高熵合金中存在较为显著的化学成分波动和局部点阵畸变,必然对位错的运动将产生重要影响。而对于“传统主导位错运动的机制是否仍然适用BCC高熵合金体系”这一基本问题还尚未得到清晰的揭示。

近日,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室研究人员利用原子模拟技术,选择BCC结构的Co-Fe-Ni-Ti高熵合金体系,揭示出刃型位错和螺型位错不同于传统BCC金属的特殊动力学行为(见附图)。研究发现:在高熵合金中,一方面,化学成分的不均匀分布使得刃型位错在纳米尺度上受到较强的钉扎力,使其不再以平滑、快速的方式,而是以缓慢、不连续的方式运动。另一方面,化学成分起伏将促进螺型位错扭折的自发形核,但对扭折扩展产生显著的钉扎作用,导致螺型位错的运动速度不再受限于扭折形核速率,而受限于扭折扩展速率。由此,BCC高熵合金中刃型和螺型位错的运动由特殊的激活行为主导,且两种位错运动需要克服相近的局部势垒,表现出相似的动力学特征,这与传统BCC金属存在显著差异。以上研究成果有助于揭示BCC高熵合金高温强度和加工硬化等力学性能的微观起源,对于合金设计也具有重要指导意义。

附图: (A)-(B) 300K下位错环在BCC金属a-Fe与BCC高熵合金Co16.67Fe36.67Ni16.67Ti30中的扩展过程。(A) 在BCC金属中,低应力下(400MPa)刃型位错相比螺型位错即具有较高的滑移速度,位错环扩展由刃型位错运动主导。(B)在BCC高熵合金中,由于局部较强的钉扎作用,位错环在较高应力下(950MPa)才能产生明显滑移,刃型和螺型位错几乎同时扩展。(C)-(D) BCC金属和BCC高熵合金位错运动速度随外加应力的变化。(C)在BCC金属中,刃型位错在低应力下速度与应力呈线性关系,高应力时速度趋于饱和;螺型位错在低应力下速度与应力呈指数关系,高应力下为线性关系。(D)在BCC高熵合金中,刃型和螺型位错表现出相似的动力学特征:当应力低于某个门槛值时,位错受钉扎作用很难运动,增加应力位错缓慢、不连续运动,高应力下位错连续运动。

该研究成果近日以《BCC高熵合金中主导位错运动的特殊激活机制》(Unusual activated processes controlling dislocation motion in body-centered-cubic high-entropy alloys)为题,发表于国际权威期刊PNAS。西安交通大学李苏植教授为本文通讯作者,博士生陈冰为第一作者,参与此工作的还有西安交通大学材料学院宗洪祥副教授,丁向东教授以及孙军教授等。西安交通大学为本文的第一作者单位和通讯作者单位。

该研究得到了国家自然科学基金,“111”引智计划等项目的共同资助,相关计算在西安交通大学校级高性能计算平台上完成。

论文链接:https://www.pnas.org/content/early/2020/06/25/1919136117                                        

编辑:yxh0503