复杂浓缩合金中缺陷诱导的不均匀原子环境

  在复杂浓缩合金(CCAs)中，等比例的多种元素有利于局部原子环境的形成，如在最近的实验中观察到的偏析或化学有序，都是这种情况。这种特殊的局部原子环境可能会将位错置于滑移面上，导致位错逃逸产生较高的流动应力，从而以应力下降的形式产生动态应变时效(DSA)效应。本文采用蒙特卡罗分子动力学(MC/MD)模拟方法，研究了NiCoCr合金体系中位错和层错周围的原子气氛，并定量确定了应力降效应。观察到层错和位错核周围的化学有序和偏析增加情况。通过详细分析，文章发现，与位错核周围的偏析(Cottrell气氛)和增强的有序(Fisher)效应相比，层错周围的原子偏析(Suzuki气氛)对应力下降的影响最大。MD模拟的应力降与理论预测值和实验值比较符合。这项工作填补了对H/ mea中DSA效应的理解的重要空白。

  复杂浓缩或高/中熵合金(H/MEAs)是具有等原子浓度的多种元素的固溶体。这些复杂的浓缩合金由高温淬火产生，一度被认为保留了高构型熵的原子排列，同时各种组成元素之间会发生热相互作用，从而形成局部化学秩序(LCO)，这些是固溶体的主要强化因素之一。

到目前为止，还没有已知的研究集中在理解CCAs中缺陷周围原子气氛的动态形成及其与DSA现象的关系。特别是，溶质原子如何在位错附近扩散和重新排列，以及这种原位原子重排对位错有什么影响，这些都是需要回答的重要问题。

  在本研究中，分子动力学(MD)模拟用于阐明NiCoCr的代表性MEA中位错与局部原子环境之间的相互作用。采用蒙特卡罗/分子动力学(MC/MD)混合模拟方法研究了SRO的程度和分布，并利用SRO表征了不同位错密度合金复制品在不同温度下的原子环境变化。模拟使用大规模分子动力学大规模并行模拟器在等原子比下的NiCoCr体系嵌入原子法(EAM)电位进行。之前的研究使用了这组电位，结果符合预期。

  论文中，我们首次报道了MD模拟NiCoCr中位错和层错附近的局部原子环境，从而对该合金体系中缺陷引起的偏析有了全面的了解。然后，我们将模拟由于局部原子环境而产生的增强。最后，我们将通过上述位错-溶质相互作用机制(Cottrell-Jaswon, Suzuki, Fisher和Snoek)的贡献来解释模拟强化，并与实验观察到的DSA效应进行比较。因此，本工作的目标是在固溶合金中溶质-缺陷相互作用的经典理论框架内，利用MD模拟来合理解释NiCoCr原型MEA中的DSA效应。

力-应变曲线流动锯齿中的应力降Δσ示意图。

  不同位错密度NiCoCr合金的MC/MD模拟。(a)模拟盒及插入位错双极示意图。(b)包含0(完美)、1、3和5个边位错偶极子的系统的势能与交换尝试。(c)不同偶极子数mc松弛样品中Ni-Ni、Ni-Co、Ni-                                                                                Cr、Co-Co、Co-Cr和Cr-Cr原子对的全局平均Warren- Cowley参数。

  平行于滑移面的层序水平的非均匀分布。(a)为研究原子环境分布而如何分裂细胞的示意图。每层厚度约为6个原子面，位错偶极子位于第3层和第8层。(b) 300 k退火样品中0偶极(完美)、1偶极、3偶极  和5偶极位错区域Co-Cr原子对的局部Warren-Cowley参数。(c)异质性随交换次数的增加而演变。(d)退火温度对Co-Cr WC-SRO能级波动幅度的影响。

Ni在层错区的偏析。(a) Ni、Co、Cr在不同层中沿Z[111]坐标的浓度分布。(b) Ni(橙色原子)在堆叠断层区域(蓝色原子)与5偶极子结构中交换尝试的比率。(c) 300k退火试样(111)滑移面上Ni浓度沿X方向的平面分布。只有在堆叠断层区域的原子被呈现并被涂成蓝色。

偶极子样品在300k退火过程中位错线形状和曲率的演变。紫色位错是指一个完美的边缘位错，然后解离成两个绿色的肖克利部分位错。

位错核附近局部原子环境研究。(a)随机构型下半径R为1 ~ 3 b的圆柱形区域内Ni、Co、Cr原子比。(b)为计算原子浓度和Warren-Cowley参数，选取不同R的位错线及周围圆柱形区域示意图。(c)初始未退火态和(d) 300 k退火态Co-Cr原子对的Warren-Cowley参数与圆柱形区域半径的关系。

插入5个偶极子试样的应力分布演化。(a)原子静水应力分布。(b)增加MC/MD步骤时的静水应力分布图。(c) MC/MD增加时的静水应力波动幅值。

   外加剪应力作用下位错滑动过程的模拟。在(a) R1模型(MC/MD松弛的位错)和(b) C模型(MC/MD未松弛的约束位错)中，施加应力(黑色曲线)、前部分位错(蓝色曲线)和后部分位错(蓝色虚线)的位移与加载时间的关系。

Co-Cr Warren-Cowley位错滑移过程中滑移面原子参数随滑移次数的变化。

MD模拟与理论预测的应力降比较。

综上所述，本工作通过MC/MD模拟来了解CCAs的老化过程，并定量表征新的原子环境以研究动态应变老化机制。可以得出以下结论:

1.在边缘位错应力场的压缩区和滑移面上Co-Cr有序程度较大，表明Fisher钉钉作用对位错的影响更强。此外，非均质性程度由应力场决定，而非均质性程度受位错密度和退火温度的影响，主要通过其对层错能的影响。

2.在局部原子气氛的形成过程中，位错趋向于变得更直。在层错(Suzuki效应)和位错核(Cottrell效应)附近发现了原子偏析，这两者都可能是CCAs中动态应变老化现象的根源。

3.在有新原子环境和不含新原子环境的模拟构型下，剪切试验得到的流变应力降为143 ~ 154 MPa，与理论预测值152 MPa相当吻合。修改多晶、应变速率和温度影响后，模拟应力降约为10.8 MPa，略高于许多HEAs的实验应力-应变曲线的应力锯齿。而铃木偏析是导致层错能显著降低的主要原因(约74%)。