Origin of excellent mechanical properties in highly concentrated BCC alloys; Electronic structure calculations

高濃度BCC合金の優れた力学特性の起源; 電子状態計算

都留 智仁   

Tsuru, Tomohito

ハイエントロピー合金(HEA)は、化学的に複雑な結晶構造を持つ単相または多相合金である。特に体心立方(BCC)-HEAの中には、高強度と高伸度のバランスに優れたものや、特定の元素を含むBCC-HEAは特異なすべり痕を示す。本研究では、第一原理計算を用いて、BCC-HEAの転位の芯構造を調べた。等原子分率の3成分及び5成分のBCC-MEA及び-HEAをランダムに分布させたモデルを作成し、短距離秩序形成、局所的な格子歪み、および化学組成が力学特性に及ぼす影響を調べた。その結果、TiZrNbHfTaの平均二乗変位(MSAD)は非常に大きく、Burgersベクトルの6%以上に相当することがわかった。このような極めて大きな格子歪みは、転位運動の摩擦応力が確実に増加するため、力学特性に強く影響すると考えられる。そこで、4族元素が塑性異方性に及ぼす影響を調べるために、純Nb, Nb83Zr17, Nb67Zr33, Nb50Zr50, Nb33Zr67の5種類の濃度の異なるNb-Zr合金を仮想的に作製し、その塑性異方性を調べた。上記の濃度の合金特性を持つ単一仮想元素を用い、Peierlsポテンシャル曲面により塑性異方性を検討した。その結果、Zr濃度が50at%に達すると、最小エネルギー経路が大きく変化することが示された。

High-entropy alloys (HEA) are chemically complex single- or multi-phase alloys with crystal structures. Especially, some body centered cubic (BCC)-HEAs have an excellent balance between high strength and high elongation. Additionally, BCC-HEAs containing specific elements show unusual slip trace. In the present study, we investigate the core structure of dislocations in BCC-HEAs using the first-principles calculations. We modeled randomly-distributed three- and five-component BCC-MEAs and -HEAs with equiatomic fractions. We explored the effect of the short-ranged order formation, local lattice distortion, and chemical composition on the mechanical properties. As a result, the mean square displacement (MSAD) of TiZrNbHfTa was quite large, which corresponds to over 6% of Burgers vector. This extremely large lattice distortion must strongly influence the mechanical properties since the friction stress of dislocation motion definitely increases. Subsequently, to explore the effect of group 4 elements on plastic anisotropy, virtual Nb-Zr alloys were constructed, where five different concentrations of pure Nb, Nb83Zr17, Nb67Zr33, Nb50Zr50, and Nb33Zr67 were modeled. The plastic anisotropy was investigated by the Peierls potential surface using the single virtual elements having alloying properties with the above concentration. Interestingly, the Peierls potential analysis indicates that the minimum energy path changes significantly when the concentration of Zr reaches 50 at%.