定量和图形化比较！基于位置偏好模拟多主元素合金的原子分布、晶格畸变和力学性能

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导读

多主元素合金（MPEAs）由于其独特的相结构和在不同方面的潜在应用而受到了广泛的关注。然而，对原子分布、晶格畸变和力学性能的定量和图形化表征都相当不足，这阻碍了MPEAs富矿的勘探和开发。在这项工作中，提出了一种基于位置偏好模拟MPEAs的原子分布、晶格畸变和力学性能的通用综合方法，其中FCC_CoNiV和CoCrNi MPEAs得到了演示，并在定量和图形上进行了比较。

基于MPEAs原型的晶体学信息，使用双亚晶格模型预测了MPEAs的温度和组成依赖的位置占据分数(SOFs)。其中，利用基于密度泛函理论(DFT)和密度泛函微扰理论(DFPT)的第一类原理计算，建立了所涉及的端元化合物的温度依赖性吉布斯自由能的热力学数据库。除了总能量的差异外，还通过图形化的方法表征了FCC_CoNiV MPEA中存在畸变和不存在畸变时作用在每个原子上的合力，探讨了晶格畸变的机理。在力学性能方面，两种合金都表现出韧性，而FCC_CoNiV MPEA的弹性各向异性大于FCC_CoCrNi MPEA，这可能是由于V原子的强有序行为造成的。目前的结果与有限的实验和模拟报告关于V原子的有序行为和韧性特性一致。

基于此，福州大学吴波教授研究团队建立了一种通用的方法，可以用于模拟MPEAs的原子分布、晶格畸变和力学性能，期望目前的方法可以作为一种标准的模拟策略，而不是传统的随机混合考虑不同的组成原子。相关成果以题为“A general approach to simulate the atom distribution, lattice distortion,and mechanical properties of multi-principal element alloys based on site preference: Using FCC_CoNiV and CoCrNi to demonstrate and compare” 发表于金属期刊《Journal of Alloys and Compounds》。

作者简介

吴波，教授、博导，福州大学材料学院多尺度材料设计与应用实验室创始人，留德归国学者，从事跨尺度材料计算设计研究。聚焦金属材料的精细结构与性能之间的关系，从金属材料物相结构与合金热力学角度，研究合金相中原子择优占位行为与力学性能之间的关系，创新性地建立了一系列定量化和图像化描述高熵合金（高熵材料）的四大效应的理性方法，发表系列有关方法论的学术论文和专利，引起同行广泛关注。

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目前，学者们对三维过渡金属组成的典型五元等摩尔CoCrFeMnNi高熵合金(Cantor合金)及其衍生物进行了大量研究，其衍生物CoCrNi为单面心立方相，强度和延展性高于四元相和五元相。在77K下，CoCrNi MPEA的抗拉强度为1.4 GPa，拉伸延性为~90%，断裂韧性为275 MPam^1/2，这接近有记录以来的最佳损伤耐受性。

在实验研究中，对于未畸变的晶格结构，考虑如何设置初始晶格常数，由于未畸变晶体结构的晶格常数的初始设置可能相当小或相当大，这可能会对晶格畸变行为产生很大影响。晶格畸变的驱动力是什么，仅仅考虑不同原子的错配程度的错配是不够的，因此，迫切需要建立一个合理的结构模型，并定量地表征MPEAs在亚晶格上的有序行为、晶格扭曲，从而确定其力学性能。

对于FCC_CoNiV MPEA，位置占据构型为(V_1.0000)_1a(Co_0.4444Ni_0.4445V_0.1111)_3c，不受热处理温度的影响，而对于FCC_CoCrNi MPEA，随着热处理温度的升高，位置偏好发生了持续且轻微的变化，例如，位置占据构型在673 K时由(Co_0.3371Cr_0.0002Ni_0.6627)_1a(Co_0.3320Cr_0.4444Ni_0.2236)_3c变化为1273 K时的(Co_0.3690Cr_0.0007Ni_0.6303)_1a(Co_0.3214Cr_0.4442Ni_0.2344)_3c。在此基础上对结构熵和原子分布进行了定量和图形化表征。计算得到的平衡有序结构的构型熵比假设的完全随机结构的构型熵要小得多，在完全随机结构中，各种原子都占据在完全晶格上，没有任何位置偏好。

在位置优选构型的基础上，通过比较畸变结构和未畸变结构，首次提出了晶格畸变公式，FCC_CoNiV合金的相对晶格畸变为2.54%，而FCC_CoCrNi合金的相对晶格畸变为2.25%，比对应合金FCC_CoNiV低11%。FCC_CoNiV和CoCrNi MPEAs是基态力学稳定的各向异性材料。柯西压力、B/G值和泊松比均表明FCC_CoNiV和CoCrNi为延性材料。

原子分布和晶格畸变的定量描述对于在原子水平上使用HRTEM、SF-XRD、APT和HAADFSTEM进行最先进的高分辨率实验技术是至关重要的，而且还提供了必不可少的结构信息，用于预测晶格畸变和力学性质，甚至利用现有的计算能力进一步探索原子的扩散行为、表面和催化性质。

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编译：彭瑾

编辑：江姗

审核：刘晨辉

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