《Nature Commun》：难熔高熵合金的位错运动及化学短程有序

难熔高熵合金(RHEAs)是为高温强度而设计的，边缘位错和螺旋位错对塑性变形起着重要作用。然而，它们在化学短程有序(SRO)中也显示出显著的能量驱动力。

在此，来自美国加州大学圣地亚哥分校的Shyue Ping Ong& 加州大学伯克利分校的Mark Asta & Robert O. Ritchie等研究者，利用基于高精度机器学习原子间势的广泛分子动力学模拟，研究了体心立方MoNbTaW RHEA中螺旋位错和边缘位错在宽温度范围内的移动机制。相关论文以题为“Atomistic simulations of dislocation mobility in refractory high-entropy alloys and the effect of chemical short-range order”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25134-0

近年来，高熵合金(HEAs)作为一种含多种主合金元素的金属合金引起了广泛的研究兴趣，对其微观组织、力学性能和变形机制进行了大量的研究。例如，作为一种新型结构材料，某些面心立方(fcc)合金，特别是基于CrCoNi的HEAs，已经被证明具有更高的强度和特殊的损伤容限，尤其是在低温下。

另一类主要的HEA系统是难熔的高熵合金(RHEAs)，它主要由难熔元素组成，并且总是以体心立方(bcc)固溶体的形式结晶；这些合金由于其优异的抗软化性和极高的熔点，被认为是高温应用的有前途的候选材料。尽管由于RHEAs的脆性和氧化敏感性，在其加工过程中仍然存在许多实际挑战，但许多RHEAs已经被设计、制造和实验评估，并通过计算方法获得了额外的见解。透射电镜研究表明，随着塑性应变的增加，螺旋位错占主导地位，并通过原位扫描电镜实验观察到高阶面滑移活性；事实上，在这些浓缩的固溶合金中，普遍发现了强的本征晶格电阻。目前，研究者建立了螺旋位错在RHEAs中强化的理论模型，并采用分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)计算进行了位错性质的原子模拟。最近，中尺度模型，如动力学蒙特卡罗模型，也被开发来研究RHEAs的增强。然而，与纯基底bcc金属相比，对基底bcc RHEAs独特的变形行为的研究还很有限。

虽然HEAs具有晶体有序，但成分无序，它们不一定是每个原子物种的随机固溶体。具体来说，HEAs的一个特征是存在局部化学短程有序(SRO)的可能性，这可以影响缺陷的运动，从而可能影响力学性能。在以往的研究中发现，在fcc或hcp合金中，SRO效应可以改变位错的形态，即由波状变为平面状，并可能影响孪晶。最近的实验结果，为某些fcc HEAs中SRO的存在及其与力学性能的关系，提供了直接的证据。此外，对于MoNbTaW等RHEAs，数值研究揭示了SRO的一个重要的能量驱动力。因此，这种SRO的影响是一个相关的问题，需要进一步研究单相bcc-RHEA固溶体。

此文中，研究者利用基于高精度机器学习原子间势的广泛分子动力学模拟，研究了体心立方MoNbTaW RHEA中螺旋位错和边缘位错在宽温度范围内的移动机制。此外，研究者还特别评估了SRO的存在对这些机制的影响。SRO的存在增强了边位错的迁移率，而螺旋位错运动中双扭形核的速率降低了，尽管这种影响在温度升高时减弱了。在不考虑SRO的情况下，在螺旋运动中观察到交叉滑移锁定机制，这为耐火高熵合金系统提供了额外的强化。

图1 机器学习原子间相互作用潜能的开发与评估。

图2 SRO对螺旋位错速度的影响。

图3 扭结成核机理及交叉滑移锁定的观察。

图4 拟合螺旋位错迁移率模型及热熵对SRO强化效果的影响。

图5 SRO对边缘位错速度的影响。

图6 SRO引起的沿位错在导平面附近的层间阻力减小。

图7 MoNbTaW RHEA与纯Mo、Nb的位错速度比较。

图8 螺旋位错和边缘位错的临界摩擦应力与温度的关系。

综上所述，研究者建立了双扭结机制下螺旋位错移动的唯象模型，揭示了螺旋位错运动的温度依赖SRO效应的起源；这一机制源于SRO对扭结对成核的自由能垒的贡献。随着温度的升高，在纯bcc金属和MoNbTaW RHEA中都发现了边-螺速度比的降低。

这些结果表明，温度和局部化学有序对RHEAs中边缘和螺旋位错运动机制有显著的影响，这些机制对RHEAs的力学性能有显著影响。（文：水生）