在復(fù)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(shí)驗(yàn)中觀察到的偏析或化學(xué)有序，都是這種情況。這種特殊的局部原子環(huán)境可能會(huì)將位錯(cuò)置于滑移面上，導(dǎo)致位錯(cuò)逃逸產(chǎn)生較高的流動(dòng)應(yīng)力，從而以應(yīng)力下降的形式產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(DSA)效應(yīng)。本文采用蒙特卡羅分子動(dòng)力學(xué)(MC/MD)模擬方法，研究了NiCoCr合金體系中位錯(cuò)和層錯(cuò)周圍的原子氣氛，并定量確定了應(yīng)力降效應(yīng)。觀察到層錯(cuò)和位錯(cuò)核周圍的化學(xué)有序和偏析增加情況。通過(guò)詳細(xì)分析，文章發(fā)現(xiàn)，與位錯(cuò)核周圍的偏析(Cottrell氣氛)和增強(qiáng)的有序(Fisher)效應(yīng)相比，層錯(cuò)周圍的原子偏析(Suzuki氣氛)對(duì)應(yīng)力下降的影響最大。MD模擬的應(yīng)力降與理論預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值比較符合。這項(xiàng)工作填補(bǔ)了對(duì)H/ mea中DSA效應(yīng)的理解的重要空白。

  復(fù)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(fù)雜的濃縮合金由高溫淬火產(chǎn)生，一度被認(rèn)為保留了高構(gòu)型熵的原子排列，同時(shí)各種組成元素之間會(huì)發(fā)生熱相互作用，從而形成局部化學(xué)秩序(LCO)，這些是固溶體的主要強(qiáng)化因素之一。

到目前為止，還沒(méi)有已知的研究集中在理解CCAs中缺陷周圍原子氣氛的動(dòng)態(tài)形成及其與DSA現(xiàn)象的關(guān)系。特別是，溶質(zhì)原子如何在位錯(cuò)附近擴(kuò)散和重新排列，以及這種原位原子重排對(duì)位錯(cuò)有什么影響，這些都是需要回答的重要問(wèn)題。

  在本研究中，分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬用于闡明NiCoCr的代表性MEA中位錯(cuò)與局部原子環(huán)境之間的相互作用。采用蒙特卡羅/分子動(dòng)力學(xué)(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(cuò)密度合金復(fù)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(dòng)力學(xué)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(jìn)行。之前的研究使用了這組電位，結(jié)果符合預(yù)期。

  論文中，我們首次報(bào)道了MD模擬NiCoCr中位錯(cuò)和層錯(cuò)附近的局部原子環(huán)境，從而對(duì)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(qiáng)。最后，我們將通過(guò)上述位錯(cuò)-溶質(zhì)相互作用機(jī)制(Cottrell-Jaswon, Suzuki, Fisher和Snoek)的貢獻(xiàn)來(lái)解釋模擬強(qiáng)化，并與實(shí)驗(yàn)觀察到的DSA效應(yīng)進(jìn)行比較。因此，本工作的目標(biāo)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(lái)合理解釋NiCoCr原型MEA中的DSA效應(yīng)。

力-應(yīng)變曲線流動(dòng)鋸齒中的應(yīng)力降Δσ示意圖。

  不同位錯(cuò)密度NiCoCr合金的MC/MD模擬。(a)模擬盒及插入位錯(cuò)雙極示意圖。(b)包含0(完美)、1、3和5個(gè)邊位錯(cuò)偶極子的系統(tǒng)的勢(shì)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(duì)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(xì)胞的示意圖。每層厚度約為6個(gè)原子面，位錯(cuò)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(cuò)區(qū)域Co-Cr原子對(duì)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(duì)Co-Cr WC-SRO能級(jí)波動(dòng)幅度的影響。

Ni在層錯(cuò)區(qū)的偏析。(a) Ni、Co、Cr在不同層中沿Z[111]坐標(biāo)的濃度分布。(b) Ni(橙色原子)在堆疊斷層區(qū)域(藍(lán)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(lán)色。

偶極子樣品在300k退火過(guò)程中位錯(cuò)線形狀和曲率的演變。紫色位錯(cuò)是指一個(gè)完美的邊緣位錯(cuò)，然后解離成兩個(gè)綠色的肖克利部分位錯(cuò)。

位錯(cuò)核附近局部原子環(huán)境研究。(a)隨機(jī)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(jì)算原子濃度和Warren-Cowley參數(shù)，選取不同R的位錯(cuò)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(duì)的Warren-Cowley參數(shù)與圓柱形區(qū)域半徑的關(guān)系。

插入5個(gè)偶極子試樣的應(yīng)力分布演化。(a)原子靜水應(yīng)力分布。(b)增加MC/MD步驟時(shí)的靜水應(yīng)力分布圖。(c) MC/MD增加時(shí)的靜水應(yīng)力波動(dòng)幅值。

   外加剪應(yīng)力作用下位錯(cuò)滑動(dòng)過(guò)程的模擬。在(a) R1模型(MC/MD松弛的位錯(cuò))和(b) C模型(MC/MD未松弛的約束位錯(cuò))中，施加應(yīng)力(黑色曲線)、前部分位錯(cuò)(藍(lán)色曲線)和后部分位錯(cuò)(藍(lán)色虛線)的位移與加載時(shí)間的關(guān)系。

Co-Cr Warren-Cowley位錯(cuò)滑移過(guò)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(yù)測(cè)的應(yīng)力降比較。

綜上所述，本工作通過(guò)MC/MD模擬來(lái)了解CCAs的老化過(guò)程，并定量表征新的原子環(huán)境以研究動(dòng)態(tài)應(yīng)變老化機(jī)制�？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:

1.在邊緣位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)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(duì)位錯(cuò)的影響更強(qiáng)。此外，非均質(zhì)性程度由應(yīng)力場(chǎng)決定，而非均質(zhì)性程度受位錯(cuò)密度和退火溫度的影響，主要通過(guò)其對(duì)層錯(cuò)能的影響。

2.在局部原子氣氛的形成過(guò)程中，位錯(cuò)趨向于變得更直。在層錯(cuò)(Suzuki效應(yīng))和位錯(cuò)核(Cottrell效應(yīng))附近發(fā)現(xiàn)了原子偏析，這兩者都可能是CCAs中動(dòng)態(tài)應(yīng)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(yàn)得到的流變應(yīng)力降為143 ~ 154 MPa，與理論預(yù)測(cè)值152 MPa相當(dāng)吻合。修改多晶、應(yīng)變速率和溫度影響后，模擬應(yīng)力降約為10.8 MPa，略高于許多HEAs的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)力鋸齒。而鈴木偏析是導(dǎo)致層錯(cuò)能顯著降低的主要原因(約74%)。