《Materials & Design》：置换固溶体全场畸变的原子机制

相较于纯金属，合金往往展现出更为出色的力学以及理化性能，如近年来广泛研究的高熵合金，正是由五种或五种以上等量或大约等量金属元素组成。不同金属元素由于原子尺寸均较大，倾向于形成置换固溶体，即溶质原子替换掉溶剂原子，占据溶剂原子的晶格位点。此时体系的电子将重新分布，引发原子间距变化，晶格发生畸变，进而材料的理化性质，如力学性能，热导率，甚至是化学活性都会改变。晶格畸变的探索对于设计和改进置换固溶体具有重要意义。目前尚不能从物理本源上厘清由置换原子诱发的畸变。

本研究从抽象出的原子相互作用出发，基于普适的原理和物理定律，系统地探索了原子尺度上固溶体畸变的一般规律，并提出了相应的理论框架。该框架不仅可以预测固溶体的晶格常数，追踪每个原子的平衡位置，还能估算畸变抗力。本研究阐明了置换固溶体中畸变的共性规律和物理机制，为从物理本源上揭示固溶体的强化机制奠定基础。相关论文以题为：“Atomistic mechanism for whole-filed distortion of the substitutional solid solutions”发表在 Materials & Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111057

具体而言，基于最小能量原理，建立描述晶格局部各向异性畸变的原子模型；考虑到一般固溶体的畸变可以看作是局部晶格畸变在整个体相中的传播，建立一维原子链模型来描述畸变的非均匀传播效应；再基于叠加原理，把相互独立的原子链上的畸变叠加，建立三维原子链模型预测固溶体的全场畸变。最后，采用第一性原理模拟验证了该理论框架适用于不同组分的金属置换固溶体。论文中部分理论模型和第一性原理模拟结果展示如下。图1和2展示了晶格畸变的各向异性。

图 1：置换组态1的第一性原理模拟和原子模型的结果对比。结果均吻合很好。

图 2：从上至下分别表示置换组态2-4的DFT模拟和原子模型结果对比，均吻合很好。

图3和4反应了在体相中畸变传播的非均匀特性。即离畸变中心近，畸变大，离畸变中心远，则畸变小。进一步研究发现畸变的影响范围也具有普遍规律，即畸变影响范围只与溶剂原子的内聚性质相关，与溶质原子关系不大。

图 3. 一维原子链畸变传播理论解。反映出畸变随着距畸变中心距离迅速衰减。

图 4. 体相中畸变影响范围图，同种溶剂不同溶质的畸变影响区基本相同，同种溶质不同溶剂基本不同。

图 5. 图（a）和（b）分别显示了2组分和4组分的固溶体理论和模拟结果。所有的相对误差都小于4%。

图5展示了一般金属置换固溶体的全场畸变。

总结：

该研究从物理本源建立了理论框架来描述一般置换固溶体中非均匀传播的各向异性畸变，并且采用第一性原理模拟验证了该理论模型，可以得到如下结论：

1）提出原子模型描述标准晶胞的各向异性畸变。且发现各向异性来源于不同方向的畸变相互制约以达到系统能量最低。晶胞的畸变随着置换组态变化。

2）提出一维原子链模型描述畸变在体相中非均匀传播并且给出近似解来估计畸变影响区域。模型显示随着远离畸变中心，畸变程度迅速减小，且畸变影响范围只要受到溶剂而非溶质的影响。

3）建立三维原子链模型描述一般固溶体的全场畸变。模型同时可以计算固溶体中原子平衡位置，以及估算畸变阻力。

本研究阐明了置换固溶体中畸变的共性规律和物理机制，本研究为从物理本源揭示固溶强化机制奠定基础。

作者简介：

第一作者：胡世威，中国工程物理研究院总体工程研究所与中国科学技术大学联合培养博士研究生。研究方向：临氢环境下金属材料力学性能演化的预测方法研究。邮箱：hushiwei@mail.ustc.edu.cn

通讯作者：尹益辉 研究员，中国工程物理研究院总体工程研究所。研究方向：结构优化设计；材料力学行为。邮箱：yinyh@caep.cn

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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