Dislocations shape and dynamics in BCC medium entropy alloys; Classical modelling with machine learning potentials

BCCミディアムエントロピー合金における転位の形状とダイナミクス; 機械学習の可能性を備えた古典的なモデリング

Lobzenko, I.   ; 椎原 良典*; 都留 智仁   

Lobzenko, I.; Shiihara, Yoshinori*; Tsuru, Tomohito

高エントロピー合金(HEA)は、その有望な機械的特性により、優れた構造材料である。体心立方(BCC)HEAでの作業は、グループ4元素が組成に存在する場合、延性の増加を示す。第一原理モデリングによるその効果の理論的研究は、大規模なシステムを必要とするHEA原子構造の本質的なランダム性によって複雑になる。古典的な分子動力学で高い精度を達成するために、人工ニューラルネットワークの機械学習を使用して原子間ポテンシャルを開発した(これをANNポテンシャルと呼ぶ)。MoNbTaとZrNbTaの2つのミディアムエントロピー合金(MEA)の現在の研究結果を紹介する。基本的な機械的性質を比較すると、Moを4族元素Zrで置換すると、体積弾性係数と弾性定数が低下することがわかる。刃状およびらせん転位が研究されている。古典的なモデリングでは、長距離応力場による転位コアの自己相互作用を防ぐ大きな計算セルの構築が可能である。さらに、大きなセルは合金のより良いランダム性を保証する。これは、HEAおよびMEAの機械的特性のシミュレーションに不可欠である。せん断ひずみを加えることにより、らせん転位運動が誘起される。刃状転位の場合、形状とエネルギーは、隣接する2つの容易なコア構成間で転位コアが移動する過程で調べられる。このようにして、パイエルス障壁が計算される。2つのMEAの結果を比較して、4族元素の役割を解明する。最後に、転位の応力場を理解するために、ANNポテンシャルの枠組みで原子応力計算スキームを採用する。ANNスキームの原子エネルギーは最終的に原子間のペア距離に依存するため、ビリアル応力の定義に基づいて原子応力の計算が可能である。

High-entropy alloys (HEA) are excellent structural materials due to their promising mechanical properties. Works on body-centered cubic (BCC) HEAs show increased ductility if group 4 elements are present in the composition. Theoretical studies of that effect by first-principles modeling are complicated by the essential randomness of HEA atomic structure, which requires large systems. To achieve high accuracy in classical molecular dynamics we have developed interatomic potentials using machine learning of artificial neural networks (we refer to them as ANN potentials). We present in the current work results for two medium-entropy alloys (MEA): MoNbTa and ZrNbTa. Comparison of basic mechanical properties show decrease of bulk modulus and elastic constants if Mo is substituted with group 4 element Zr. Edge and screw dislocations are studied. Classical modelling allows construction of big calculation cells, that prevents self-interaction of the dislocation core due to long-range stress field. Moreover, big cells ensures better randomness of alloys, which is vital in simulations of HEA and MEA mechanical properties. Screw dislocation movement is induced by applying shear strain. In case of edge dislocation the shape and energy is studied in the process of migration of the dislocation core between two adjacent easy core configurations. In this way the Peierls barrier is calculated. Results for two MEA are compared to elucidate the role of group 4 element. Finally, to understand the stress field of dislocations we employ atomic stress calculation scheme in the framework of ANN potentials. Atomic stress calculations is possible based on virial stress definition due to the fact that atomic energy in the ANN scheme ultimately depends on pair distances between atoms.