第一原理計算によるハイエントロピー合金の転位構造と運動に関する研究

Atomistic study on dislocation core and motion in high-entropy alloys

都留 智仁   ; 弓削 是貴*; 青柳 吉輝*; 下川 智嗣*; 久保 百司*; 尾方 成信*

Tsuru, Tomohito; Yuge, Koretaka*; Aoyagi, Yoshiteru*; Shimokawa, Tomotsugu*; Kubo, Momoji*; Ogata, Shigenobu*

ハイエントロピー合金(HEA)は、主要成分を持たない5元素またはそれ以上の成分が等原子分率で混合した結晶構造を持つ合金として定義される。HEAでは、従来の希薄合金を対象とした固溶強化理論による評価が困難な一方、特異な変形機構を生じ、強化の促進や強度と延性の両立などの優れた機能の創出が期待されている。しかし、局所的な原子変位などの影響により強度が向上することなどが分かっているが、詳細な機構は明らかになっていない。そこで本研究では、第一原理計算を用いて転位構造とその特性について検討を行った。BCC相が安定なMoNbTaVWと安定性の低いZrNbTaTiHfを対象として、第一原理計算によって計算された平均二乗原子変位(MSAD)を評価した。その結果、MSADの小さなMoNbTaVWでは純BCC金属の転位芯と同様に、転位芯近傍の3つの原子が転位のBurgersベクトルをほぼ均一に持つことが確認される。一方、ZrNbTaTiHfでは、局所的な変位による弾性ひずみエネルギーの偏差が大きく、転位構造は転位芯近傍の周囲の元素の影響を受けて多様な構造を取ることがわかった。

High entropy alloys (HEAs) are chemically complex single- or multi-phase alloys with crystal structures. There are no major components but five or more elements are included with near equiatomic fraction. In such a situation, deformation behavior can no longer be described by conventional solid solution strengthening model. Some HEAs, indeed, show higher strengthening behavior and anomalous slip. However, the mechanisms of these features have yet to be understood. In the present study, we investigate the core structure of dislocations in BCC-HEAs using density functional theory (DFT) calculations. We found that core structure of a screw dislocation is identified as is the case with common BCC metals. On the other hand, dislocation motion should be different from pure BCC metals because of chemical and configurational disorder around dislocation core. We confirmed the specific feature of dislocation motion in HEAs by two-dimensional Peierls potential surface.