Thiết kế quá trình chuyển đổi thứ tự - hỗn loạn trong thép ferrit cao entropy

Journal of Materials Research - Tập 37 Số 1 - Trang 136-144 - 2022
Prashant Singh1, Duane D. Johnson1
1Ames Laboratory, United States Department of Energy, Ames, IA 50011, USA

Tóm tắt

Tóm tắtCác quá trình chuyển đổi thứ tự - hỗn loạn giữ vai trò quan trọng trong các thép ferrit cao entropy (HEFS) có sự phức tạp về hóa học do ứng dụng công nghệ quan trọng. Sự không đồng nhất hóa học phát sinh từ việc trộn lẫn nhiều nguyên tố chủ yếu với hóa trị khác nhau có thể thúc đẩy các thay đổi về tính chất ở cấp độ nguyên tử, đặc biệt là thứ tự ngắn hạn. Sử dụng lý thuyết phản ứng tuyến tính dựa trên lý thuyết chức năng mật độ, chúng tôi dự đoán ảnh hưởng của việc điều chỉnh thành phần đến quá trình chuyển đổi thứ tự - hỗn loạn trong thép ferrit - tập trung vào HEFS có thành phần Cr–Ni–Al–Ti–Fe. Chúng tôi chỉ ra rằng, hàm lượng Ti trong các dung dịch rắn Cr–Ni–Al–Ti–Fe có thể được điều chỉnh để thay đổi thứ tự ngắn hạn, biến đổi con đường chuyển đổi từ BCC-B2 (tỷ lệ nguyên tử Ti = 0) sang BCC-B2-L21 (tỷ lệ nguyên tử Ti > 0), phù hợp với các thí nghiệm hiện có. Nghiên cứu của chúng tôi gợi ý rằng việc điều chỉnh mức độ thứ tự ngắn hạn thông qua sự biến đổi thành phần có thể được sử dụng như một phương thức hiệu quả để tối ưu hóa lựa chọn pha trong các hợp kim hữu dụng về công nghệ. Tóm tắt đồ họa

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

J.-W. Yeh, S.-K. Chen, S.-J. Lin, J.-Y. Gan, T.-S. Chin, T.-T. Shun, C.-H. Tsau, S.-Y. Chang, Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes. Adv. Eng. Mater. 6, 299–303 (2004)

B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent, Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A 375–377, 213–218 (2004)

D. Miracle, O. Senkov, A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Mater. 122, 448–511 (2017)

E.P. George, D. Raabe, R.O. Ritchie, High-entropy alloys. Nat. Rev. Mater. 4, 515–534 (2019)

Y. Ikeda, B. Grabowski, F. Körmann, Ab initio phase stabilities and mechanical properties of multicomponent alloys: a comprehensive review for high entropy alloys and compositionally complex alloys. Mater. Charact. 147, 464–511 (2019)

A. Ferrari, B. Dutta, K. Gubaev, Y. Ikeda, P. Srinivasan, B. Grabowski, F. Körmann, Frontiers in atomistic simulations of high entropy alloys. J. Appl. Phys. 128, 150901(12) (2020)

B. Gludovatz, A. Hohenwarter, D. Catoor, E.H. Chang, E.P. George, R.O. Ritchie, A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science 345(6201), 1153–1158 (2014)

B. Gludovatz, A. Hohenwarter, K.V.S. Thurston, H. Bei, Z. Wu, E.P. George, R.O. Ritchie, Exceptional damage-tolerance of a medium-entropy alloy CrCoNi at cryogenic temperatures. Nat. Commun. 7, 10602 (2016)

O.N. Senkov, G.B. Wilks, J.M. Scott, D.B. Miracle, Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. Intermetallics 19(5), 698–706 (2011)

Z. Fu, L. Jiang, J.L. Wardini, B.E. MacDonald, H. Wen, W. Xiong, D. Zhang, Y. Zhou, T.J. Rupert, W. Chen, E.J. Lavernia, A high-entropy alloy with hierarchical nanoprecipitates and ultrahigh strength. Sci. Adv. 4(10), 8712 (2018)

O.N. Senkov, D.B. Miracle, K.J. Chaput, J.-P. Couzinie, Development and exploration of refractory high entropy alloys—a review. J. Mater. Res. 33, 3092 (2018)

M.-H. Sai, J.-W. Yeh, High-entropy alloys: a critical review. Mater. Res. Lett. 2, 107–123 (2014)

M.A. Hemphill, T. Yuan, G.Y. Wang, J.W. Yeh, C.W. Tsai, A. Chuang, P.K. Liaw, Fatigue behavior of Al0.5CoCrCuFeNi high entropy alloys. Acta Mater. 60, 5723 (2012)

P. Koželj, S. Vrtnik, A. Jelen, S. Jazbec, Z. Jagličić, S. Maiti, M. Feuerbacher, W. Steurer, J. Dolinšek, Discovery of a superconducting high-entropy alloy. Phys. Rev. Lett. 113, 107001 (2014)

R. Feng, P.K. Liaw, M.C. Gao, M. Widom, First-principles prediction of high-entropy-alloy stability. NPJ Comp. Mater. 3, 1–7 (2017)

P. Singh et al., Vacancy-mediated complex phase selection in high entropy alloys. Acta Mater. 194, 540 (2020)

H. Song et al., Local lattice distortion in high-entropy alloys. Phys Rev. Mater. 1, 023404 (2017)

R. Zhang et al., Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy. Nature 581, 283 (2020)

H. Bhadeshia, Design of ferritic creep-resistant steels. ISIJ Int. 41, 626–640 (2001)

F. Masuyama, History of power plants and progress in heat resistant steels. ISIJ Int. 41, 612–625 (2001)

R.L. Klueh, Elevated temperature ferritic and martensitic steels and their application to future nuclear reactors. Int. Mater. Rev. 50, 287–310 (2005)

A. Kostka, K.G. Tak, R.J. Hellmig, Y. Estrin, G. Eggeler, On the contribution of carbides and micrograin boundaries to the creep strength of tempered martensite ferritic steels. Acta Mater. 55, 539–550 (2007)

J. Jung, G. Ghosh, G.B. Olson, A comparative study of precipitation behavior of Heusler phase (Ni2TiAl) from B2-TiNi in Ni-Ti-Al and Ni-Ti-AI-X (X = Hf, Pd, Pt, Zr) alloys. Acta Mater. 51, 6341–6357 (2003)

C.H. Liebscher, V.R. Radmilovic, U. Dahmen, N.Q. Vo, D.C. Dunand, M. Asta, G. Ghosh, A hierarchical microstructure due to chemical ordering in the bcc lattice: early stages of formation in a ferritic Fe-Al-Cr-Ni-Ti alloy. Acta Mater. 92, 220–232 (2015)

T. Hayashi, P.M. Sarosi, J.H. Schneibel, M.J. Mills, Creep response and deformation processes in nanocluster-strengthened ferritic steels. Acta Mater. 56, 1407–1416 (2008)

J.B. Staunton, D.D. Johnson, F.J. Pinski, Compositional short-range ordering in metallic alloys: band-filling, charge-transfer, and size effects from a first-principles all-electron Landau-type theory. Phys. Rev. B 50(3), 1450–1472 (1994)

D.D. Johnson et al., Density-functional theory for random alloys: total energy within the coherent-potential approximation. Phys. Rev. Lett. 56(19), 2088–2091 (1986)

P. Singh, A.V. Smirnov, D.D. Johnson, Atomic short-range order and incipient long-range order in high-entropy alloys. Phys. Rev. B 91(22), 224204 (2015)

S. Wolf-Goodrich et al., Combinatorial exploration of B2/L21 precipitation strengthened AlCrFeNiTi compositionally complex alloys. J. Alloys Compd. 853, 156111 (2021)

X. Liu, J. Zhang, J. Yin, S. Bi, M. Eisenbach, Y. Wang, Monte Carlo simulation of order-disorder transition in refractory high entropy alloys: a data-driven approach. Comput. Mater. Sci. 187, 110135 (2021)

D.D. Johnson, F.J. Pinski, Inclusion of charge correlations in calculations of the energetics and electronic structure for random substitutional alloys. Phys. Rev. B 48(16), 11553–11560 (1993)

M.A.L. Marques, M.J.T. Oliveira, T. Burnus, Libxc: a library of exchange and correlation functionals for density functional theory. Comput. Phys. Commun. 183(10), 2272–2281 (2012)

H.J. Monkhorst, J.D. Pack, Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B 13, 5188 (1976)

P. Singh et al., Design of high-strength refractory complex solid-solution alloys. NPJ Comput. Mater. 4(1), 16 (2018)

P. Singh, A.V. Smirnov, D.D. Johnson, Ta-Nb-Mo-W refractory high-entropy alloys: anomalous ordering behavior and its intriguing electronic origin. Phys. Rev. Mater. 2(5), 055004 (2018)

P. Singh, A.V. Smirnov, A. Alam, D.D. Johnson, First-principles prediction of incipient order in arbitrary high-entropy alloys: exemplified in Ti0.25CrFeNiAlx. Acta Mater. 189, 248 (2020)

K. Sato et al., First-principles theory of dilute magnetic semiconductors. Rev. Mod. Phys. 82, 1633–1690 (2010)

B.L. Györffy, A.J. Pindor, G.M. Stocks, J. Staunton, H. Winter, A first-principles theory of ferromagnetic phase transitions in metals. J. Phys. F. Met. Phys. 15, 1337–1386 (1985)

W. Hume-Rothery, R.W. Smallman, C.W. Haworth, The Structure of Metals and Alloys (The Institute of Metals, London, 1969)

M. Amalraj et al., Effect of synthesis temperature on the phase formation of NiTiAlFeCr compositionally complex alloy thin films. J. Alloys Compd. 854, 155178 (2021)

A. Khatcharuryan, Theory of Structural Transformation in Solids (Wiley, New York, 1983)

A. Khachaturyan, Sov. Phys. JETP 36, 753 (1972)

A.K.D. Badalyan, A.G. Khachaturyan, Theory of order-disorder phase transformation in molecular crystals. 2. Soy. Phys. Crystallogr. 14, 333 (1969)