Acta Mater.：用Ab initio计算辅助设计具有相变诱发塑性的五元双相高熵合金

【引言】

高熵合金（HEA）算是一个比较新颖的课题，由于其固有的成分多变性，可用于开发具有新性能的新材料。最初，HEA被提出包含多个等摩尔比或近等摩尔比的基本元素，该材料具有最大化构型熵以稳定单相结构。依据这个思路，已经开发了多种单相HEA，并具有不同的晶体结构，如FCC、BCC、HCP。特别是室温下呈FCC单相的CoCrFeMnNi HEA在不同温度下都表现出优异的机械性能。为了进一步改善HEA的机械性能，最近有人提出将相变诱发塑性（TRIP）引入HEA中。所得到的合金由高熵双相（DP）结构组成，与单相HEA相比，其强度和延展性都得到了很好的改善。然而，由于HEA组成元素的可选择性太多，纯粹的基于实验的方法太麻烦。因此，需要计算机模拟来将范围缩小到充分展现TRIP效应的HEA。

【成果简介】

近日，德国马克斯·普朗克铁研究所公司的Zhiming Li、Fritz Körmann在Acta Mater.上发表了题为“Ab initio assisted design of quinary dual-phase high-entropy alloys with transformation-induced plasticity ”的文章。在这篇文章中，作者通过使用基于量子力学和经实验验证的方法，设计了一种新型HEA，即具有TRIP特性的五元双相HEA。对Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x（x = 0-20 at.％）的热力学相稳定性进行Ab initio计算模拟，以筛选能显示TRIP-DP效应的合金成分。模拟结果预测出几种可能的HEA，并且就其室温相组成、微结构、元素分布和成分均匀性、拉伸性能和变形机理进行了系统的表征。该研究表明了Ab initio计算的强度从而在原子层面预测多元HEA宏观尺度上的行为。基于模拟选择的非等原子比Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA与相应的等原子比CoCrFeMnNi合金相比，具有TRIP-DP效应，从而表现出较高的拉伸强度和应变硬化性能。

【图文导读】

图一：Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x的HCP-FCC能量差异随Ni含量的变化曲线

0K时，Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x的HCP-FCC能量差异随Ni含量的变化曲线（黑线）。300K时的晶格振动（蓝线）和磁熵效应（绿线）。细虚线对应于在理论T = 0K晶格常数（≈3.52Å）下执行的模拟，而粗线对应于在实验晶格常数（≈3.60Å）下进行的模拟。

图二：Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x HEA的XRD图谱

Co₂₀Cr₂₀Fe_40-xMn₂₀Ni_x HEA的XRD图谱揭示了随着x值（Ni含量）改变的相变化。

图三：Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA的微观结构和元素分布

(a) EBSD相图证实了合金中的双相结构。

(b) 对应于(a)中标记区域的低放大倍数ECCI结果。

(c) 对应于(b)中标记区域的高放大倍数ECCI结果，显示了起始微结构中的纳米级堆垛层错。

(d) (b)中对应于相同区域的EDS图显示所有元素（Co、Cr、Fe、Mn、Ni）均匀分布。

图四：对均质化Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA的代表性APT分析

(a) 在边界处用FIB技术显示特定位置的SE图像。

(b) 从(a)所示的边界区域获取的一个尖端中的所有元件的三维APT尖端重建。

(c) (b)所示尖端的长度方向的一维浓度分布。

(d) 从观察实验结果和二项式模拟得出的频率分布分析。

图五：二元Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA与其他四元、五元HEA的机械性能的比较

(a) 典型工程应力-应变曲线；所有曲线均由单轴拉伸试验获得，在内部生产的均质合金上具有相同的试验条件。

(b) 同一组合金的应变硬化。

图六：室温下随着拉伸变形的增加，Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA的EBSD相图

(a-d) 变形诱导马氏体转变；(a)20％、(b)40％、(c)60％、(d)90％的局部应变（ε_loc）分别对应于早、中、晚均匀变形和后颈缩阶段。

【小结】

这篇文章揭示了，与等原子比Co₂₀Cr₂₀Fe₂₀Mn₂₀Ni₂₀合金相比，由于成功引入了TRIP-DP效应，新开发的双相五元Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆和四元Co₂₀Cr₂₀Fe₄₀Mn₂₀ HEA显示出更高的拉伸强度和应变硬化能力。然而，由于进一步降低了FCC相稳定性，HCP相稳定性相应提高了，四元Co₂₀Cr₂₀Fe₄₀Mn₂₀ HEA显示出比五元Co₂₀Cr₂₀Fe₃₄Mn₂₀Ni₆ HEA显着更低的延展性。该研究表明，为了实现良好的强度和延展性，合金的相稳定性应调整到适当的状态，其中CoCrFeMnNi体系中的FCC相稳定性不能太低，因为这可能导致过早的相变和低延展性。除了本文所讨论的替代合金化方法，FCC相稳定性也可以通过间隙合金化或晶粒尺寸调整来实现。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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