Зернограничные сегрегации в высокоэнтропийном сплаве CoNiCrFeMn. MД/MК-моделирование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Формирование зернограничных сегрегаций в эквиатомном высокоэнтропийном сплаве (HEA) CoNiCrFeMn при отжиге в области умеренных температур изучено с использованием атомистического МД/МК-моделирования. Установлено, что на ранней стадии отжига независимо от типа границ зерен (ГЗ) в объеме зерен формируются два типа областей с химическим ближним порядком Ni–Mn–Cr и Fe–Co. При увеличении времени отжига наблюдается выраженная тенденция к образованию необычно широких сегрегаций на ГЗ. Основным элементом, обогащающим ГЗ, является Cr, а кластеры Fe–Co вытесняются в центр зерна. Обсуждается влияние ГЗ на перераспределение компонент сплава и фазовую стабильность HEA.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Н. Карькин

Институт физики металлов УрО РАН

Email: lidiakarkina@gmail.com
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Л. Е. Карькина

Институт физики металлов УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: lidiakarkina@gmail.com
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Ю. Н. Горностырев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: lidiakarkina@gmail.com
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Zhang Y., Zuo T.T., Tang Z., Gao M.C., Dahmen K.A., Liaw P.K. and Lu Z.P. Microstructures and properties of high-entropy alloys // Prog. Mater. Sci. 2014. V. 61. P. 1–93.
  2. Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Materialia. 2017. V. 122. P. 448–511.
  3. Tokarewicz M., Gradzka-Dahlke M. Review of Recent Research on AlCoCrFeNi High-Entropy Alloy //Metals. 2021. V. 11. P. 1302–1316.
  4. Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2004. V. 375–377. P. 213–218.
  5. Otto F., Dlouhý A., Pradeep K.G., Kuběnová M., Raabe D., Eggeler G. Decomposition of the single-phase high-entropy alloy CrMnFeCoNi after prolonged anneals at intermediate temperatures // Acta Mater. 2016. V. 112. P. 40–52.
  6. Laurent-Brocq M., Akhatova A., Perrière L., Chebini S., Sauvage X., Leroy E., Champion Y. Insights into the phase diagram of the CrMnFeCoNi high entropy alloy // Acta Materialia. 2015. V. 88. P. 355–365.
  7. Schuh B., Mendez-Martin F., Volker B., George E.P., Clemenb H., Pippan R., Hohenwarter A. Mechanical properties, microstructure and thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeMnNi high-entropy alloy after severe plastic deformation // Acta Mater. 2015. V. 96. P. 258–268.
  8. Huang X., Liu L., Duan X., Liao W., Huang J., SunH., Yu Y. Atomistic simulation of chemical short-range order in HfNbTaZr high entropy alloy based on a newly-developed interatomic potential // Mater. Design. 2021. V. 2021. P. 09560.
  9. Antillon E., Woodward C., Rao S.I., Akdim B., Parthasarathy T.A. Chemical short-range order strengthening in a model FCC high entropy alloy // Acta Mater. 2020. V. 190. P. 29–42.
  10. Jiana W-R., Xieb Z., Xu S., Su Y., Yao X., Beyerlein I.J. Effects of lattice distortion and chemical short-range order on the mechanisms of deformation in medium entropy alloy CoCrNi // Acta Mater. 2020. V. 199. P. 352–369.
  11. Xing B., Wang X., Bowmana W.J., Cao P. Short-range order localizing diffusion in multi-principal element alloys // Scripta Mater. 2022. V. 210. P. 114450.
  12. Zhang F.X., Zhao S., Jin K., Xue H., Velisa G., Bei H., Huang R., Ko J.Y.P., Pagan D.C., Neuefeind J.C., Weber W.J., Zhang Y. Local Structure and Short-Range Order in a NiCoCr Solid Solution Alloy // Phys. Rev. Lett. 2017. V. 118. P. 205501.
  13. Lei Z.F., Liu X.J., Wu Y., Qiao S., Zhu Guo-liang, Dong An-ping, Shu Da, Sun Bao-de. Enhanced strength and ductility in a high-entropy alloy via ordered oxygen complexes // Nature. 2018. V. 563 (7732). P. 546–550.
  14. Ding Q.Q., Zhang Y., Chen X., Fu X., Chen D., Chen S., Gu L., Wei F., Bei H., Gao Y., Wen M., Li J., Zhang Z., Zhu T., O Ritchie R., Yu Q. Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys // Nature. 2019. V. 574 (7777). P. 223–227.
  15. Ma Y., Wang Q., Santodonato C., Li L.J., Feygenson M., Dong C., Liaw P. K. Chemical short-range orders and the induced structural transition in high-entropy alloys // Scripta Mater. 2018. V. 144. P. 64–68.
  16. Mizunoa M., Sugita K., Araki H. Prediction of short-range order in CrMnFeCoNi high-entropy alloy // Results in Physics. 2022. V. 34. P. 105285.
  17. Li Q.-J., Sheng H., Ma E. Strengthening in multi-principal element alloys with local-chemical-order roughened dislocation pathways // Nature Communications. 2019. V. 10. P. 3564.
  18. Карькин И.Н., Карькина Л.Е., Горностырев Ю.Н. Ближний порядок, формирующийся при отжиге эквиатомного сплава CrMnFeCoNi. Атомистическое МД/МК-моделирование // ФММ. 2023. Т. 124. № 10. С. 971–977.
  19. Shahmir H., Mousavi T., He J.Y., Lu Z.P., Kawasaki M., Langdon T.G. Microstructure and properties of a CoCrFeNiMn high-entropy alloy processed by equal-channel angular pressing // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 705. P. 411–419.
  20. Stepanov N.D., Shaysultanov D.G., Chernichenko R.S., Yurchenko N.Y., Zherebtsov S.V., Tikhonovsky M.A., Salishchev G.A. Effect of thermomechanical processing on microstructure and mechanical properties of the carbon-containing CoCrFeNiMn high entropy alloy // J. Alloy. Compd. 2017. V. 693. P. 394–405.
  21. Heczel A., Kawasaki M., Labar J.L., Jang J.I., Langdon T.G., Gubicza J. Defect structure and hardness in nanocrystalline CoCrFeMnNi High-Entropy Alloy processed by High-Pressure Torsion // J. Alloy. Compd. 2017. V. 711. P. 143–154.
  22. Hou J., Li Q., Wu C., and Zheng L. Atomic Simulations of Grain Structures and Deformation Behaviors in Nanocrystalline CoCrFeNiMn High-Entropy Alloy // Materials. 2019. V. 12. P. 1010.
  23. Tschopp M.A., Macdowell D.L. Asymmetric tilt grain boundary structure and energy in copper and aluminum // Phil. Mag. 2007. V. 87. P. 3871.
  24. http://lammps.sandia.gov/index.html
  25. Choi W.-M., Kim Y., Seol D., Lee B.-J. Modified embedded-atom method interatomic potentials for the Co–Cr, Co–Fe, Co–Mn, Cr–Mn and Mn–Ni binary systems // Comp. Mater. Sci. 2017. V. 130. P. 121–129.
  26. Choi Won-Mi, Jo Yong Hee, Sohn Seok Su, Lee Sunghak and Lee Byeong-Joo. Understanding the physical metallurgy of the CoCrFeMnNi high-entropy alloy: an atomistic simulation study // npj Computational Materials. 2018. V. 4. P. 1–9.
  27. Schuh B., Mendez-Martin F., Volker B., George E.P., Clemenb H., Pippan R., Hohenwarter A. Mechanical properties, microstructure and thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeMnNi high-entropy alloy after severe plastic deformation // Acta Mater. 2015. V. 96. P. 258–268.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фрагменты стартовых конфигураций бикристаллов с ГЗ Σ5{013}<100> (а) и Σ5{012}<100> (б). Зеленые линии показывают структурные единицы, заштрихованные и не заштрихованные кружки – атомы в двух соседних плоскостях {100}. Расстояния по осям даны в Ả.

Скачать (129KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость потенциальной энергии от числа МД/МК-шагов для бикристалла с ГЗ Σ5{013}<100>, Т = 723 К.

Скачать (50KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фрагмент конфигурации кристаллита с ГЗ Σ5{013}<100> (а) и функция распределения атомов вдоль направления, перпендикулярного плоскости ГЗ (б) после 25 × 104 шагов МД/МК-моделирования. Вертикальные линии соответствуют стартовой конфигурации, сплошные кривые – распределение положений атомов кристаллита после завершения МД/МК-моделирования. Черные точки соответствуют Co, синие – Ni, зеленые – Cr, красные – Fe, сиреневые – Mn.

Скачать (161KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фрагмент конфигурации бикристалла с ГЗ Σ5{012}<100> (а) и функция распределения атомов вдоль направления ОХ вблизи ГЗ (б) после 25 × 104 шагов МД/МК-моделирования. Вертикальные линии соответствуют стартовой конфигурации, сплошные кривые – функция распределения положений атомов кристаллита после завершения МД/МК-моделирования.

Скачать (212KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость концентрации элементов сплава в области вблизи ГЗ от числа МД/МК-шагов моделирования для ГЗ Σ5{013}<100> (а) и Σ5{012}<100> (б).

Скачать (182KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменение концентрации Cr, Mn, Ni в направлении, перпендикулярном плоскости ГЗ Σ5{013}<100> (а) и ГЗ Σ5{012}<100> (б). Пунктирной линией показано стартовое положение ГЗ; горизонтальная линия – уровень средней по объему бикристалла концентрации.

Скачать (354KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределение атомов в двух слоях кристаллита эквиатомного сплава CoNiCrFeMn после 25 × 104 МД/МК-шагов. Красные атомы – Fe, черные – Co. (а) ГЗ Σ5{013}<100>; (б) ГЗ Σ5{012}<100>. Пунктирная линия – стартовое положение центра ГЗ.

Скачать (703KB)
Метаданные