Acta Mater.：用Ab initio計算輔助設計具有相變誘發塑性的五元雙相高熵合金

【引言】

高熵合金（HEA）算是一個比較新穎的課題，由于其固有的成分多變性，可用于開發具有新性能的新材料。最初，HEA被提出包含多個等摩爾比或近等摩爾比的基本元素，該材料具有最大化構型熵以穩定單相結構。依據這個思路，已經開發了多種單相HEA，并具有不同的晶體結構，如FCC、BCC、HCP。特別是室溫下呈FCC單相的CoCrFeMnNi HEA在不同溫度下都表現出優異的機械性能。為了進一步改善HEA的機械性能，最近有人提出將相變誘發塑性（TRIP）引入HEA中。所得到的合金由高熵雙相（DP）結構組成，與單相HEA相比，其強度和延展性都得到了很好的改善。然而，由于HEA組成元素的可選擇性太多，純粹的基于實驗的方法太麻煩。因此，需要計算機模擬來將范圍縮小到充分展現TRIP效應的HEA。

【成果簡介】

近日，德國馬克斯·普朗克鐵研究所公司的Zhiming Li、Fritz Ko?rmann在Acta Mater.上發表了題為“Ab initio assisted design of quinary dual-phase high-entropy alloys with transformation-induced plasticity ”的文章。在這篇文章中，作者通過使用基于量子力學和經實驗驗證的方法，設計了一種新型HEA，即具有TRIP特性的五元雙相HEA。對Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x（x = 0-20 at.％）的熱力學相穩定性進行Ab initio計算模擬，以篩選能顯示TRIP-DP效應的合金成分。模擬結果預測出幾種可能的HEA，并且就其室溫相組成、微結構、元素分布和成分均勻性、拉伸性能和變形機理進行了系統的表征。該研究表明了Ab initio計算的強度從而在原子層面預測多元HEA宏觀尺度上的行為。基于模擬選擇的非等原子比Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA與相應的等原子比CoCrFeMnNi合金相比，具有TRIP-DP效應，從而表現出較高的拉伸強度和應變硬化性能。

【圖文導讀】

圖一：Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x的HCP-FCC能量差異隨Ni含量的變化曲線

0K時，Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x的HCP-FCC能量差異隨Ni含量的變化曲線（黑線）。300K時的晶格振動（藍線）和磁熵效應（綠線）。細虛線對應于在理論T = 0K晶格常數（≈3.52?）下執行的模擬，而粗線對應于在實驗晶格常數（≈3.60?）下進行的模擬。

圖二：Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x HEA的XRD圖譜

Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x HEA的XRD圖譜揭示了隨著x值（Ni含量）改變的相變化。

圖三：Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA的微觀結構和元素分布

(a) EBSD相圖證實了合金中的雙相結構。

(b) 對應于(a)中標記區域的低放大倍數ECCI結果。

(c) 對應于(b)中標記區域的高放大倍數ECCI結果，顯示了起始微結構中的納米級堆垛層錯。

(d) (b)中對應于相同區域的EDS圖顯示所有元素（Co、Cr、Fe、Mn、Ni）均勻分布。

圖四：對均質化Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA的代表性APT分析

(a) 在邊界處用FIB技術顯示特定位置的SE圖像。

(b) 從(a)所示的邊界區域獲取的一個尖端中的所有元件的三維APT尖端重建。

(c) (b)所示尖端的長度方向的一維濃度分布。

(d) 從觀察實驗結果和二項式模擬得出的頻率分布分析。

圖五：二元Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA與其他四元、五元HEA的機械性能的比較

(a) 典型工程應力-應變曲線；所有曲線均由單軸拉伸試驗獲得，在內部生產的均質合金上具有相同的試驗條件。

(b) 同一組合金的應變硬化。

圖六：室溫下隨著拉伸變形的增加，Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA的EBSD相圖

(a-d) 變形誘導馬氏體轉變；(a)20％、(b)40％、(c)60％、(d)90％的局部應變（ε_loc）分別對應于早、中、晚均勻變形和后頸縮階段。

【小結】

這篇文章揭示了，與等原子比Co₂₀Cr₂₀Fe₂₀Mn₂₀Ni₂₀合金相比，由于成功引入了TRIP-DP效應，新開發的雙相五元Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆和四元Co₂₀Cr₂₀Fe₄₀Mn₂₀ HEA顯示出更高的拉伸強度和應變硬化能力。然而，由于進一步降低了FCC相穩定性，HCP相穩定性相應提高了，四元Co₂₀Cr₂₀Fe₄₀Mn₂₀ HEA顯示出比五元Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA顯著更低的延展性。該研究表明，為了實現良好的強度和延展性，合金的相穩定性應調整到適當的狀態，其中CoCrFeMnNi體系中的FCC相穩定性不能太低，因為這可能導致過早的相變和低延展性。除了本文所討論的替代合金化方法，FCC相穩定性也可以通過間隙合金化或晶粒尺寸調整來實現。

文獻鏈接：Ab initio assisted design of quinary dual-phase high-entropy alloys with transformation-induced plasticity（Acta Mater.2017，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.07.023）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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