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第一原理計算によるハイエントロピー合金の諸特性の評価

First-principles study on mechanical properties in high entropy alloys

都留 智仁   ; Lobzenko, I.   ; 椎原 良典*; Wei, D.*; 山下 真一郎   ; 板倉 充洋  ; 他10名*

Tsuru, Tomohito; Lobzenko, I.; Shiihara, Yoshinori*; Wei, D.*; Yamashita, Shinichiro; Itakura, Mitsuhiro; 10 of others*

ハイエントロピー合金(HEA)は、5元素またはそれ以上の成分が高濃度で混合した結晶構造を持つ合金として定義される。FCC構造とBCC構造でそれぞれCoCrFeNiMn(Cantor)合金とZrNbTaTiHf(Senkov)合金という強度と延性を両立した合金系が発見されており、これらの組成を軸にさらに優れた合金系の開発が行われている。力学特性の向上に対する機構は、格子の局所ひずみに対応する平均二乗原子変位(MSAD)による効果に加えて、FCC構造では双晶形成、BCC構造では特異な転位運動が重要な役割を果たしている。本研究では、FCC構造とBCC構造を有するHEAを対象に、第一原理計算に基づくシミュレーションを用いて欠陥構造の諸特性について検討する。MoNbTaVWとZrNbTaTiHfの2つのBCC-HEAにおけるRandom構造と800KのMC計算から得られた短距離秩序を有する構造に対して、135のサイトに転位双極子が導入された際のエネルギーの分布を評価した。その結果、2つの合金ではMSADが大きく異なっており、格子のひずみが大きなZrNbTaTiHfでは転位の形成エネルギーが小さくなることがわかった。

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. Dislocation structure and motion should be the key to identify the unique feature of mechanical properties of HEAs. In the present study, we investigated the core structure of dislocations in body centered cubic (BCC) HEAs using density functional theory (DFT) calculations. The Random structure and ZrNbTaTiHf and the SRO structure obtained from the 800 K MC calculation in two BCC-HEA MoNbTaVW was prepared. Then, the energy distribution when the dislocation dipoles were introduced at 135 sites were calculated. We found that the dislocation formation energy is smaller in ZrNbTaTiHf, which has a large difference in MSAD and a large lattice distortion.

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