MoNbTaVW高熵合金压缩变形研究

关键词：高熵合金、压缩变形、力学性质、DFT

1. 案例背景

High-entropy alloys (HEAs) 高熵合金具有优异的性能，如室温和高温下均具有较高的强度，优异的延展性和韧性。高熵合金被认为是一种新型先进结构材料。Refractory HEAs具有广泛的基础性质，MoNbTaVW是耐火型高熵合金典型例子，体心立方（BCC）MoNbTaVW在温度高达1900 K下仍表现出高硬度和优异的强度；粗晶MoNbTaVW的Vickers micro-hardness为5250 MPa；平均粒径为~30 nm的纳米晶MoNbTaVW在1150℃时硬度为11.4 GPa。很多科研者采用传统的机械测试方法研究HEAs力学性能。本案例中，作者采用in situ synchrotron X-ray diffraction (XRD) experiments结合密度泛函理论研究MoNbTaVW力学性能。

2. 建模与计算方法

作者通过MedeA Environment创建了体心立方(BCC) MoNbTaVW晶胞（晶格参数a(1/2, 1/2, -1/2); a(1/2, -1/2, 1/2)及a(-1/2, 1/2, 1/2)），接着通过Supercell builder功能创建5×5×5超晶胞。随后作者采用MedeA-VASP模块中GGA-PBE方法对体系结构进行优化，采用截断能500 eV；K点：3×3×3；能量和力收敛精度分别为：

3. 结果与讨论

3.1 实验部分

作者采用电弧熔炼法制备了MoNbTaVW样品，随后采用原位XRD表征MoNbTaVW样品，见图1。从图中可知，在不同压力下得到的所有主峰均被表征为FCC（标准Au衍射峰）和BCC（MoNbTaVW）。此外在周围环境下，MoNbTaVW晶格常数（图1a）为0.3195 nm；当压力达到20 GPa时，XRD图谱中即不出现新峰，原始峰也不小时，因此压缩过程中没有相变；实验还表明，随着压力增大，所有衍射峰向较大2θ角移动，随压力减小，而向较小的2θ角移动。

图1 (a)、(b)压缩过程XRD图谱；(c) 2 Thera作为110/200/211及220峰压力函数图

随后作者分析MoNbTaVW样品的微应变随压力变化，见图2。图2 b可知，随着压力增加，MoNbTaVW微应变越高，微应变与位错密度的平方根成正比，因此，MoNbTaVW位错密度也越高。

图2 MoNbTaVW (a)不同压力下衍射图谱；(b)微应变随压力变化图

3.2 理论分析

为更深入了解MoNbTaVW结构，作者通过MedeA-VASP模块分析含125个原子的MoNbTaVW结构，计算体积及晶格参数随压力变化情况，见图3。从图中可知，高压下MoNbTaVW没有出现明显的体积坍塌，说明在~20 GPa时体系结构稳定；计算得到的晶格参数与实验值非常接近。同时计算体系弹性常数，根据Voigt–Reuss–Hill理论推算得到0 K下MoNbTaVW力学性质，其中剪切模块（G）杨氏模量（E）、泊松比（ν）分别为：57.62 GPa、158.69 GPa及0.3750。DFT计算的力学性能与实验预测值非常接近。

图3 MoNbTaVW (a) 体积与压力函数图; (b) 晶格参数随压力变化图

4. 总结与展望

本案例中，作者采用电弧熔炼法制备了MoNbTaVW样品，随后采用原位同步X射线衍射（XRD）及DFT方法研究MoNbTaVW压缩变形行为。结果表明，大于5 GPa，MoNbTaVW表现出塑性变形，有更强的织构。同时发现活跃的位错行为是MoNbTaVW压缩强度高的主要原因。本案例独特的研究方式为其他类型HEAs力学性能及机理分析开辟了新途径。

参考文献：

Congyan Zhang, Binbin Yue et al. In situ study on the compression deformation of MoNbTaVW high-entropy alloy. Journal of Alloys and Compounds 871 (2021) 159557

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

• MedeA VASP