Acta Mater.：難熔高熵合金三階彈性常數及相關非諧性質的第一性原理研究

青皮桔和山楂糖 6年前 (2017-10-10) 5228瀏覽

【引言】

密度泛函模擬可用于研究由第四、五、六主族元素組成的四類體心立方難熔高熵合金的三階彈性函數和彈性非簡諧性質。研究發現三階彈性常數的六個獨立值中，C₁₁₁最大且隨著平均價電子濃度增加而顯著增加。有趣的是，三階彈性常數C₄₅₆作為平均價電子濃度的函數經歷了正負變化。通過得到的三階彈性常數來研究格林艾森常數和低溫極限值，推導出長波非線性參數，有效彈性常數和以價電子常數為自變量的多晶模量對壓力求導，得出對應的值。本研究結果顯示，四類難熔高熵合金的值沿著[100],[110]和[111]純模軸(pure mode)方向表現出不同的取向序。并且，本研究顯示的取向序和晶體對稱性不相關。通過多晶模量對壓力求導所得值，研究人員預測得出低溫體積膨脹系數。

【成果簡介】

瑞典皇家理工學院的Xiaoqing Li博士后（通訊作者）在Acta Mater.上發表一篇題為“First-principles study of the third-order elastic constants and related anharmonic properties in refractory high-entropy alloys”的文章，研究人員通過第一性原理精確Muffin-Tin軌道方法結合相干勢近似(CPA)，研究了四種體心立方結構難熔高熵合金的三階彈性常數及其相關的彈性非諧性質。獲得每種合金的平衡晶格參數和現有的實驗數據可以很好的吻合。研究發現TiZrHfVNb有最大的體膨脹系數α值，比NbTaMoW的體膨脹系數最小值大35%，四種高熵合金的體膨脹系數變化趨勢主要決定于切變模量和體模量值。根據現有結果，有望通過科研人員開展進一步研究，來理解非線性現象和難熔高熵合金的非諧性質。

【圖文導讀】

圖1：由拉格朗日應變和無限小應變得到的4種難熔高熵合金的3個二階彈性常數獨立值

兩種方法得到的數據可以很好地吻合，研究發現C₁₁和c₁₁,C₁₂和c₁₂,C₄₄和c₄₄的最大誤差值依次為~2%，~1%和~5%。現有結果支持現有方法進一步用于求解高熵合金的三階彈性常數。

圖2：四種難熔高熵合金的三階彈性常數的6個獨立值。

可以看出，C₁₁₁比其他的五個三階彈性常數有更大的值，且隨著平均價電子濃度的增加而顯著增加。NbTaMoW比TiZrHfVNb的C₁₁₁值高三倍。彈性系數C₁₁₂對價電子濃度相對不敏感。

圖3：四類難熔高熵合金中，方位角φ = 0?和 φ = 45?時，三個聲學支對應的格林艾森常數值γ_i隨極角θ變化情況

圖4：縱向聲波非線性常數β與波傳播方向的函數關系圖像

笛卡爾坐標系確定了β在[100],[010],[001]晶軸上的投影。(a)為TiZrHfNbV，(b)為TiVNbMo，(c)為NbTaMoV.

圖5：四類難熔高熵合金中，有效彈性常數和多晶模量對壓力求導的值

【小結】

本研究通過第一性原理精確Muffin-Tin軌道方法結合相干勢近似(CPA)，研究了四種體心立方結構難熔高熵合金的三階彈性常數及其相關的彈性非諧性質。獲得每種合金的平衡晶格參數和現有的實驗數據可以很好的吻合。根據現有結果，有望通過科研人員開展進一步研究，來理解非線性現象和難熔高熵合金的非諧性質。例如，通過已有的三階彈性常數，近期建立的非線性理論可以用于模擬難熔高熵合金的塑性。此外，本研究可作為實驗測定三階彈性常數的有效指南，提供推動作用。

文獻鏈接：First-principles study of the third-order elastic constants and related anharmonic properties in refractory high-entropy alloys?(Acta Mater.,2017,DOI: 10.1016/j.actamat.2017.09.041)

本文由材料人計算材料學術組孫勝君編譯，材料牛整理編輯。

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