在復雜濃縮合金(CCAs)中，等比例的多種元素有利于局部原子環(huán)境的形成，如在最近的實驗中觀察到的偏析或化學有序，都是這種情況。這種特殊的局部原子環(huán)境可能會將位錯置于滑移面上，導致位錯逃逸產(chǎn)生較高的流動應力，從而以應力下降的形式產(chǎn)生動態(tài)應變時效(DSA)效應。本文采用蒙特卡羅分子動力學(MC/MD)模擬方法，研究了NiCoCr合金體系中位錯和層錯周圍的原子氣氛，并定量確定了應力降效應。觀察到層錯和位錯核周圍的化學有序和偏析增加情況。通過詳細分析，文章發(fā)現(xiàn)，與位錯核周圍的偏析(Cottrell氣氛)和增強的有序(Fisher)效應相比，層錯周圍的原子偏析(Suzuki氣氛)對應力下降的影響最大。MD模擬的應力降與理論預測值和實驗值比較符合。這項工作填補了對H/ mea中DSA效應的理解的重要空白。
復雜濃縮或高/中熵合金(H/MEAs)是具有等原子濃度的多種元素的固溶體。這些復雜的濃縮合金由高溫淬火產(chǎn)生，一度被認為保留了高構(gòu)型熵的原子排列，同時各種組成元素之間會發(fā)生熱相互作用，從而形成局部化學秩序(LCO)，這些是固溶體的主要強化因素之一。
到目前為止，還沒有已知的研究集中在理解CCAs中缺陷周圍原子氣氛的動態(tài)形成及其與DSA現(xiàn)象的關系。特別是，溶質(zhì)原子如何在位錯附近擴散和重新排列，以及這種原位原子重排對位錯有什么影響，這些都是需要回答的重要問題。
在本研究中，分子動力學(MD)模擬用于闡明NiCoCr的代表性MEA中位錯與局部原子環(huán)境之間的相互作用。采用蒙特卡羅/分子動力學(MC/MD)混合模擬方法研究了SRO的程度和分布，并利用SRO表征了不同位錯密度合金復制品在不同溫度下的原子環(huán)境變化。模擬使用大規(guī)模分子動力學大規(guī)模并行模擬器在等原子比下的NiCoCr體系嵌入原子法(EAM)電位進行。之前的研究使用了這組電位，結(jié)果符合預期。
論文中，我們首次報道了MD模擬NiCoCr中位錯和層錯附近的局部原子環(huán)境，從而對該合金體系中缺陷引起的偏析有了全面的了解。然后，我們將模擬由于局部原子環(huán)境而產(chǎn)生的增強。最后，我們將通過上述位錯-溶質(zhì)相互作用機制(Cottrell-Jaswon, Suzuki, Fisher和Snoek)的貢獻來解釋模擬強化，并與實驗觀察到的DSA效應進行比較。因此，本工作的目標是在固溶合金中溶質(zhì)-缺陷相互作用的經(jīng)典理論框架內(nèi)，利用MD模擬來合理解釋NiCoCr原型MEA中的DSA效應。
力-應變曲線流動鋸齒中的應力降Δσ示意圖。
不同位錯密度NiCoCr合金的MC/MD模擬。(a)模擬盒及插入位錯雙極示意圖。(b)包含0(完美)、1、3和5個邊位錯偶極子的系統(tǒng)的勢能與交換嘗試。(c)不同偶極子數(shù)mc松弛樣品中Ni-Ni、Ni-Co、Ni- Cr、Co-Co、Co-Cr和Cr-Cr原子對的全局平均Warren- Cowley參數(shù)。
平行于滑移面的層序水平的非均勻分布。(a)為研究原子環(huán)境分布而如何分裂細胞的示意圖。每層厚度約為6個原子面，位錯偶極子位于第3層和第8層。(b) 300 k退火樣品中0偶極(完美)、1偶極、3偶極 和5偶極位錯區(qū)域Co-Cr原子對的局部Warren-Cowley參數(shù)。(c)異質(zhì)性隨交換次數(shù)的增加而演變。(d)退火溫度對Co-Cr WC-SRO能級波動幅度的影響。
Ni在層錯區(qū)的偏析。(a) Ni、Co、Cr在不同層中沿Z[111]坐標的濃度分布。(b) Ni(橙色原子)在堆疊斷層區(qū)域(藍色原子)與5偶極子結(jié)構(gòu)中交換嘗試的比率。(c) 300k退火試樣(111)滑移面上Ni濃度沿X方向的平面分布。只有在堆疊斷層區(qū)域的原子被呈現(xiàn)并被涂成藍色。
偶極子樣品在300k退火過程中位錯線形狀和曲率的演變。紫色位錯是指一個完美的邊緣位錯，然后解離成兩個綠色的肖克利部分位錯。
位錯核附近局部原子環(huán)境研究。(a)隨機構(gòu)型下半徑R為1 ~ 3 b的圓柱形區(qū)域內(nèi)Ni、Co、Cr原子比。(b)為計算原子濃度和Warren-Cowley參數(shù)，選取不同R的位錯線及周圍圓柱形區(qū)域示意圖。(c)初始未退火態(tài)和(d) 300 k退火態(tài)Co-Cr原子對的Warren-Cowley參數(shù)與圓柱形區(qū)域半徑的關系。
插入5個偶極子試樣的應力分布演化。(a)原子靜水應力分布。(b)增加MC/MD步驟時的靜水應力分布圖。(c) MC/MD增加時的靜水應力波動幅值。
外加剪應力作用下位錯滑動過程的模擬。在(a) R1模型(MC/MD松弛的位錯)和(b) C模型(MC/MD未松弛的約束位錯)中，施加應力(黑色曲線)、前部分位錯(藍色曲線)和后部分位錯(藍色虛線)的位移與加載時間的關系。
鈴木效應對應力降的估計。(a)平行前后部分位錯的應力分析。(b)位錯i和j之間的徑向和周向相互作用力。(c)在r的截斷范圍內(nèi)需要考慮計算的位錯。(d)沿< 112 >剪切模型M后的一般堆積斷層景觀(黑線)，與模型R10計算結(jié)果(棕色點)的比較。
Co-Cr Warren-Cowley位錯滑移過程中滑移面原子參數(shù)隨滑移次數(shù)的變化。
MD模擬與理論預測的應力降比較。
綜上所述，本工作通過MC/MD模擬來了解CCAs的老化過程，并定量表征新的原子環(huán)境以研究動態(tài)應變老化機制。可以得出以下結(jié)論:
1.在邊緣位錯應力場的壓縮區(qū)和滑移面上Co-Cr有序程度較大，表明Fisher釘釘作用對位錯的影響更強。此外，非均質(zhì)性程度由應力場決定，而非均質(zhì)性程度受位錯密度和退火溫度的影響，主要通過其對層錯能的影響。
2.在局部原子氣氛的形成過程中，位錯趨向于變得更直。在層錯(Suzuki效應)和位錯核(Cottrell效應)附近發(fā)現(xiàn)了原子偏析，這兩者都可能是CCAs中動態(tài)應變老化現(xiàn)象的根源。
3.在有新原子環(huán)境和不含新原子環(huán)境的模擬構(gòu)型下，剪切試驗得到的流變應力降為143 ~ 154 MPa，與理論預測值152 MPa相當吻合。修改多晶、應變速率和溫度影響后，模擬應力降約為10.8 MPa，略高于許多HEAs的實驗應力-應變曲線的應力鋸齒。而鈴木偏析是導致層錯能顯著降低的主要原因(約74%)。
