Synergetic effect of Si addition on mechanical properties in face-centered-cubic high entropy alloys; A First-principles study

FCCハイエントロピー合金におけるSi添加の機械特性への相乗効果; 第一原理計算

都留 智仁   ; Lobzenko, I.   ; Wei, D.*

Tsuru, Tomohito; Lobzenko, I.; Wei, D.*

ハイエントロピー合金(HEA)は、その優れた力学特性で注目を集めてきた。我々の最近の実験研究で、Siを添加した面心立方構造(FCC)を持つHEAが、強度と延性の両方を改善する大きな可能性を秘めていることを示唆した。本研究では、第一原理計算に基づくモンテカルロシミュレーションと構造因子分析を用いて、マクロな力学特性に対するSi添加の影響を調査した。その結果、Siの添加により、局所的な格子歪みと積層欠陥エネルギー(SFE)が増加することが分かった。さらに、Si添加のHEAでは、SRO形成によりSFエネルギーが大きく変動することを示した。これは、低SFEおよび高SFE領域がマトリックスに不均質に分布している固溶体状態が形成されることを示唆している。Si添加のFCC-HEAのこの特有の機能により、Si添加合金では超微細な双晶が形成され、強度と延性の両方を向上させる主要な要因となることを明らかにした。

High-entropy alloys (HEA) have been receiving increased attention for their excellent mechanical properties. Our recent study revealed that Si-doped face-centered cubic (FCC) HEAs have great potential to improve both strength and ductility. Here, we carried out first-principles calculations in cooperation with Monte Carlo simulation and structural factor analysis to explore the effect of Si addition on the macroscopic mechanical properties. As a result, Si addition increased the local lattice distortion and the stacking fault energy. Furthermore, the SRO formation in Si-doped alloy caused highly fluctuated SF energy. Thus, the heterogeneous solid solution states in which low and high SF regions are distributed into the matrix were nucleated. This unique feature in Si-doped FCC-HEA induces ultrafine twin formation in Si-doped alloys, which can be a dominant factor in improving both strength and ductility.