Effect of HCP elements on mechanical properties in BCC medium-entropy; Machine learning potential study

BCCミディアムエントロピーの機械的特性に対するHCP要素の影響; 機械学習ポテンシャル研究

Lobzenko, I.   ; 都留 智仁   ; 椎原 良典*; 森 英喜*

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

ハイエントロピー合金(HEA)は、優れた機械的特性を示すため、構造材料の優れた候補となる。体心立方構造(BCC)を持つHEAでの作業は、HCP元素が組成に存在する場合、延性の増加を示すことが知られているが、そのメカニズムはわかっていない。計算機シミュレーションはメカニズムの解析で有効であるが、HEAのようなランダム構造を持つ高濃度固溶体では大規模なモデルを必要とするため第一原理計算のような電子状態計算によって直接計算することは困難である。そこで、古典分子動力学で高い精度を達成するために、原子間ポテンシャル開発に機械学習の手法を適用が有効な手段となる。本研究では、MoNbTaとZrNbTaという2つのミディアムエントロピー合金(MEA)の機械的特性に着目した。これら2つの合金の原子間ポテンシャルは、人工ニューラルネットワークを使用して構築された(ANNポテンシャルとする)。我々の研究では、MoがHCP元素であるZrで置換されると、材料の基本特性が劇的に変化することが明らかになった。特に、Zrを含む合金は、体積弾性率と弾性定数が低下することが確認された。また、C11とC12の弾性定数の変化は、材料が弾性不安定領域に近づいていることを示している。次に、2つのMEAのらせん転位コアの形状について検討を行った。その結果、ZrNbTa合金のコア形状がより大きな幅を持った非コンパクトな構造であることがわかった。

High-entropy alloys (HEA) exhibit excellent mechanical properties, which makes them good candidates for structural materials. Works on body-centered cubic (BCC) HEAs show increased ductility if HCP elements are present in the composition. Origins of that effect could be studied in computer experiments, but first-principles modeling is complicated by the essential randomness of HEA atomic structure, which requires large systems. To achieve high accuracy in classical molecular dynamics we apply the technique of machine learning for interatomic potentials development. Current work focuses on the mechanical properties of two medium-entropy alloys (MEA): MoNbTa and ZrNbTa. Interatomic potentials were built for these two alloys using artificial neural networks (we refer to them as ANN potentials). Our study reveals a drastic change in the basic properties of the material when Mo is substituted with HCP element Zr. In particular, the alloy with Zr has decreased bulk modulus and elastic constants. The change in C11 and C12 elastic constants shows that the material comes closer to the elastic instability region. We have also studied the shape of the screw dislocation core in the two MEA. Results show that the non-compact core shape in the ZrNbTa alloy has a larger width.