北科大吕昭平Acta重大发现：有序间隙复合物打破强韧性权衡，重塑多主元合金性能！

2024-10-15 17:06:58 作者：材料设计来源：材料设计分享至：

在合金的制造和加工过程中，氧、碳、氮等间隙元素经常渗入晶格中，与金属原子形成脆性化合物而对合金的力学性能构成威胁。

最近有研究发现，在多主元素合金（MP）中，间隙原子可以形成有序的间隙复合物（OICs），例如，在TiNbHfZr高熵合金（HEA）和TiNbZr中熵合金（MEA）中可以形成有序的间隙氧原子复合物，在CoCrFeMnNi HEA中可以形成有序的氮复合物，在FeNiMnAlCr HEA和NiCoCr MEA中可以形成有序的碳配合物。

这些OIC处于无序间隙溶质和化合物之间的中间状态，可以同时提高MPEA的强度和延展性，打破了长期存在的强度-延性权衡。然而，通过实验观察OIC形成的复杂原子细节及其与位错的相互作用仍具挑战性。同时，对于多组分体系，OIC行为的模拟面临缺乏原子间势的困境。

我们之前的工作表明，Ti和Zr之间存在化学短程有序，促进了氧OIC的形成，表明间隙原子与合金基体之间存在复杂的相互作用。OIC使位错剪切模式由平面滑移转变为波状滑移，并促进了交叉滑移。此外，通过控制铌和氧的含量可以优化材料的强度和延展性。Nb含量的降低提高了（Ti,Zr）富化学短程有序度，有利于氧掺杂后OIC的形成。

【成果速览】

本研究中，北京科技大学党委常委、副校长吕昭平教授科研团队，以TiNbZr中熵合金中的氧OIC为例，阐明了具有高度精确深度学习潜力的OIC的强化和增韧机制。利用分子动力学（MD）模拟研究了OIC的形成机理、原子堆积及其与位错的相互作用。发现间隙原子在加载时能量聚集，增加了对位错运动的阻碍。

结果表明，Nb含量对OIC的形貌和分布有显著影响，Nb含量的降低有利于形成更大的簇状OIC。OIC的存在可以显著提高位错连续运动所需的临界剪应力。当刃位错遇到OIC时观察到钉切行为，而当螺位错遇到OIC时发生交叉滑移行为。所开发的原子间势为阐明TiNbZrO合金的变形机制提供了有价值的工具，突出了OIC对多元合金力学性能的显著影响。

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相关成果以“Formation and strengthening mechanism of ordered interstitial complexes in multi-principle element alloys”为题刊登在Acta Materialia上。

【数据概况】

图1. 深度势能（DP）模型的性能。

图2. TiNbZr MEA中LCO结构和OIC的形成。

图3. OIC的原子形成机制。

图4. Nb和氧含量对OIC形成的影响。

图5. OIC对广义堆垛层错（GSF）能的影响。

图6. OIC和位错之间的相互作用。

【结论展望】

综上所述，我们利用为TiNbZrO体系开发的高精度原子间势，通过MD模拟来阐明OIC的形成和强化机制，揭示了OIC的原子堆积特性，对OIC形成机制的分析表明OIC的形成有利于氧原子间隙聚集。发现Nb含量对OIC的形貌和分布有显著影响，低Nb含量有利于形成较大的簇状OIC。

所开发出的原子间势为理解TiNbZr MEA中OIC的形成和强化机制提供了有价值的工具，有助于合理设计具有最佳力学性能的TiNbZr MEA。在加载过程中，OIC显著提高了连续位错运动所需的临界剪应力。OIC与刃位错和螺位错的相互作用差异很大，当刃位错遇到OIC时，由于OIC的钉切，出现了两个螺位错段，并且在穿过OIC后发生部分爬升机制，导致位错绕过OIC；当螺位错遇到OIC时，发生交叉滑移以减小OIC的阻力。

本文揭示的OIC形成机制以及与位错的相互作用，为研究具有间隙强化原子的MPEA的变形行为提供了极具价值的见解。

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