Origin of excellent strength-ductility balance unique to FCC high-entropy alloys; A Plaston-based mechanism derived from electronic structure calculations

FCCハイエントロピー合金に特有の優れた強度・延性バランスの起源; 電子構造解析によるプラストンに基づく機構

都留 智仁   

Tsuru, Tomohito

面心立方(FCC)構造を有する高エントロピー合金(HEA)の中には、優れた強度-延性バランスを有するものがある。転位すべり以外の微細な双晶パターンなどの特異な変形モードが機械的特性に寄与している一方で、そのような特異な変形を引き起こすHEAの基本的な性質や特徴は解明されていない。本研究では、CoCrFeNiMnおよびその派生系の優れた機械的特性の原因となる基本特性を第一原理計算により包括的に探索した。局所的な格子歪みはバーガースベクトルのほぼ2%に達し、HEAの強度向上に寄与している。さらに、積層欠陥エネルギー(SFE)は、ランダム固溶体では著しく低い一方、短距離秩序(SRO)が形成されるドメイン周辺では上昇した。SFEの増加は、SFE形成による化学的SROとスピン秩序の乱れに起因する。われわれの計算から、HEA特有の固溶体領域に分布する低SFEドメインと高SFEドメインが、様々な変形モード(Plaston)を連続的に活性化させ、優れた強度と延性のバランスを実現していることが示唆された。

Some high-entropy alloys (HEAs) with the face-centered cubic (FCC) structure have an excellent strength-ductility balance. While unique deformation modes such as fine twinning patterns other than dislocation glide contribute to the mechanical properties, it has not understood what fundamental properties and features of HEAs cause such unique deformation. In the present study, fundamental properties responsible for the excellent mechanical properties of CoCrFeNiMn and its subsystems were explored comprehensively by the first-principles calculations. The local lattice distortion reaches almost 2% of the Burger vector, which contributes to improving strength in HEAs. Furthermore, the stacking fault energy (SFE) was significantly low in random solid solution, while it increases around some domains where the short-range order (SRO) is formed. The increase in the SFE is caused by the disturbance of the chemical SRO and the spin order due to the SF formation. Our calculations suggest that low and high SFE domains distributed in a solid solution region unique to HEAs lead to successive activation of various deformation modes (Plaston), which achieves excellent strength-ductility balance.