?
Assessing the Effects of Chemical Composition and Short-Range Ordering on the Tensile Deformation Behavior of Nanocrystalline High-Entropy Alloys Nb–Ta–Hf–Zr: A Combined Study on Molecular Dynamics and Monte Carlo Simulation
В работе проводятся моделирования методами Монте-Карло (МК) и молекулярной динамики (МД) для исследования тугоплавких высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) на основе системы Nb–Ta–Hf–Zr. В частности, в рамках комбинированного МК/МД-моделирования релаксации, имитирующей диффузионные процессы, исследуется влияние химического состава и структуры границ зёрен (ГЗ) на короткодальний порядок (КДП) в монокристаллических и нанокристаллических (НК) ВЭС. Кроме того, с помощью МД-моделирования изучается влияние КДП на механическое поведение нанокристаллических ВЭС составов (NbTa)₅₀–Hf₂₅–Zr₂₅, (NbTa)₉₀–Hf₅–Zr₅, (NbTa)₅₀–Hf₄₅–Zr₅ и (NbTa)₅₀–Hf₅–Zr₄₅ при одноосном растяжении при высокой температуре (1000 К) и сравнивается с соответствующими сплавами без предварительной МК/МД-релаксации. Установлено, что степень КДП отдельных элементов определяется их концентрацией в материале: чем меньше количество атомов, способных формировать упорядоченные кластеры, тем выше их склонность к образованию таких кластеров. Помимо наноконгломератов, образованных исключительно атомами Nb, Ta, Hf и Zr, МК/МД-релаксация приводит к формированию КДП между Zr и Hf, а также Nb и Ta в когерентных нанокластерах с решёткой типа B2.
Наличие плотной сети ГЗ существенно влияет на процесс КДП: атомы Zr, Nb и Hf склонны сегрегировать к границам зёрен, в то время как атомы Ta в них практически отсутствуют. Такое распределение обусловлено, главным образом, различиями в атомных радиусах и химическим сродством компонентов.
Результаты МД-моделирования растяжения для релаксированных и нерелаксированных нанокристаллических ВЭС показывают, что КДП повышает прочность сплавов, увеличивая предел текучести — особенно в случае эквиатомного сплава и состава (NbTa)₅₀–Hf₄₅–Zr₅. Это объясняется как сегрегацией элементов к границам зёрен, так и обогащением зёрен атомами Ta, что способствует стабилизации объёмно-центрированной кубической (ОЦК) структуры и, как следствие, подавляет преждевременные фазовые превращения и зарождение дислокаций. При этом когерентные частицы NbTa с B2-структурой обеспечивают дополнительное упрочнение за счёт механизма передачи нагрузки. Данная работа проливает свет на механическое поведение ВЭС на основе Nb–Ta–Hf–Zr при высоких температурах и может служить методическим ориентиром при разработке перспективных высокоэнтропийных сплавов для высокотехнологичных применений.