通过分子动力学模拟研究成分波动对Ni-Co固溶体合金力学行为的影响

《Materials Today Communications》：Impact of compositional fluctuations on the mechanical behavior of Ni-Co solid solution alloys investigated by molecular dynamics simulations

分子动力学模拟研究表明，Ni-Co合金成分起伏显著影响堆垛层错能（SFE）分布，进而调控位错滑移行为与力学性能。高SFE区域阻碍位错运动并增大线曲率，增强材料强度；而SFE空间异质性促进位错累积，提升塑性变形能力。通过控制成分起伏波长及幅度，可实现强度与延展性的协同优化，为高熵合金设计提供理论依据。

　　这项研究通过分子动力学模拟，系统地探讨了等原子比的Ni-Co固溶体合金中成分波动对其力学行为的影响。研究结果表明，成分波动对堆垛层错能（SFE）有显著影响，而SFE的变化又进一步调控了合金中的位错滑移行为。当局部区域的SFE增加时，会导致Peierls能垒升高，从而阻碍位错的运动。此外，成分波动还会引起位错线的曲率增加，进一步限制其迁移能力。同时，由成分波动产生的局部应力场也会增强位错运动的阻力，从而提高材料的强度。另一方面，SFE在空间上的变化有助于位错的积累，使得材料在塑性变形过程中表现出更高的延展性和韧性。通过控制成分异质性，并引入波长超过随机固溶体中部分位错间距的成分波动，可以在材料中实现强度与延展性的协同增强。这些发现为优化先进材料的力学性能提供了重要的理论依据。

合金的成分对其微观结构具有决定性影响，而微观结构又直接决定了材料的力学性能和变形行为。在高浓度固溶体合金中，元素分布通常是不均匀的，从而形成多尺度的成分波动。这些波动能够深刻改变合金的微观结构和力学性能。例如，Li等人通过电沉积方法合成了一种接近等原子比的Ni-Co固溶体合金，并有意调控其成分波动。结果表明，这些Ni-Co样品表现出高达1.6 GPa的屈服强度和2.3 GPa的抗拉强度，同时仍保持了良好的延展性，其断裂伸长率为14-16%。这种设计策略凸显了多尺度化学异质性在实现材料强度与延展性协同增强中的关键作用。实验结果表明，在高浓度合金中，局部溶质与位错之间的相互作用会引入额外的位错滑移阻力，促进位错在晶粒内部的积累，从而提高材料的延展性。然而，目前对于纳米尺度缺陷如位错、堆垛层错和晶格畸变的形成与演化机制仍缺乏清晰的认识。因此，需要进一步研究材料的微观结构演变和局部应力分布，以深入理解化学异质性合金中的强化与变形机制。

堆垛层错能是调控材料变形机制和优化其力学性能的关键参数。研究表明，在高浓度固溶体合金中，部分位错之间的分离距离沿位错线方向发生变化，这种变化受到局部成分波动的显著影响，同时也对局部堆垛层错能产生重要影响。Zeng等人开发了一个位错动力学模型，用于研究局部位错演化，发现堆垛层错能的大幅波动显著提高了面心立方（FCC）高熵合金的预测屈服强度。同样，Smith等人在CoCrNiFeMn合金中观察到位错线方向上堆垛层错宽度的局部变化，突显了堆垛层错能对局部化学环境的敏感性，并强调了局部效应在高熵合金中的重要性。Ding等人进一步发现，独特的成分波动是某些高熵合金（HEAs）实现高强度和高延展性的重要因素。这些波动会引起晶格对位错运动的纳米尺度阻力变化以及局部堆垛层错能的波动，从而在很大程度上决定材料的力学性能。因此，理解堆垛层错能在空间上的分布对于解释实验中观察到的局部位错行为至关重要。堆垛层错能与局部环境之间的关系也为预测合金的变形机制提供了有价值的见解。在具有异质微观结构的合金中，这种相关性进一步有助于解释其局部位错特征，并为通过可控成分波动优化合金性能提供了理论基础。

原子模拟是研究金属材料在原子尺度上变形机制的重要工具，能够捕捉不同加载条件下原子结构的动态演化过程，包括位错的成核、迁移和相互作用。此外，分子动力学（MD）模拟在分析材料的微观结构特征、应力状态和环境温度对力学性能的影响方面也提供了重要的见解，有助于理解材料的塑性变形机制。先前的研究已经利用MD模拟来研究高浓度固溶体合金中的位错结构和动力学行为，例如NiFe、NiAl、NbMoTaW和CoFeNiTi合金。这些研究一致表明，位错线方向上存在不均匀的微观结构，为理解高浓度固溶体合金的变形机制提供了新的视角。因此，利用MD模拟研究高浓度Ni-Co固溶体合金中的位错滑移行为，特别是成分波动对堆垛层错能波动的影响，对于深入理解这些合金的变形机制具有重要意义。

在实验方面，等原子比的Ni-Co固溶体合金通过电化学沉积方法被合成，并具有明显的成分波动。基于这种成分结构，进行了分子动力学模拟，以研究成分波动对位错滑移行为的影响。通过调控这些成分波动的振幅和长度尺度，本研究旨在揭示固溶体合金中位错滑移的内在障碍。模拟结果表明，调整合金的化学成分可以显著改变其力学性能，这为优化Ni-Co固溶体合金中的强度-延展性协同效应提供了理论依据。研究进一步发现，成分波动不仅影响堆垛层错能的分布，还通过改变局部应力场和位错行为，对材料的力学响应产生复杂的影响。

为了更全面地理解这些影响，研究采用了多种模拟方法。其中，模型构建部分利用Atomsk软件包创建了初始的模拟单元，并根据面心立方（FCC）晶体的典型滑移系统进行取向。模拟单元的尺寸为498 × 306 × 519 ?3，共包含6,822,900个原子。位错结构的生成采用了PAD方法，将一个刃型位错置于模拟单元的中心。这种模型设计有助于精确地模拟位错在合金中的行为，并为后续分析提供了可靠的起点。

在研究位错滑移动力学时，实验在恒定的施加应力下进行，以观察位错在（110）滑移面上的位移和速度。模拟结果表明，当施加的应力超过临界切应力时，位错的显著运动才会被触发。在位错以恒定速度滑移的过程中，施加的切应力与滑移阻力达到平衡。这一现象为理解位错滑移机制提供了重要的实验依据。此外，研究还发现，成分波动对位错的滑移行为具有调控作用，通过改变局部堆垛层错能的分布，能够影响位错的迁移路径和速度。这种调控作用在不同成分波动长度尺度下表现各异，进一步揭示了成分波动对材料力学性能的复杂影响。

在研究位错核心结构及其相关的Peierls应力时，研究采用了Peierls-Nabarro（P-N）模型，该模型被广泛用于分析位错核心结构和Peierls应力。模拟结果表明，成分波动对位错核心结构具有显著影响，具体表现为位错核心宽度与Co浓度之间的关系。研究发现，随着Co浓度的增加，位错核心宽度也会发生变化，这表明成分波动能够显著改变位错的核心结构，进而影响其在材料中的行为。此外，成分波动还会改变位错滑移过程中的能量分布，从而影响材料的力学响应。通过调控成分波动的长度和振幅，可以优化位错滑移路径，进而提高材料的强度和延展性。

研究还发现，成分波动不仅影响位错的滑移行为，还通过改变局部应力场和堆垛层错能的分布，对材料的塑性变形机制产生深远影响。在高浓度合金中，成分波动会促进位错在晶粒内部的积累，从而提高材料的延展性。然而，成分波动也可能增加位错滑移的阻力，进而提高材料的强度。这种双重作用表明，成分波动在材料设计中具有重要的调控意义。通过精确控制成分波动的长度和振幅，可以在材料中实现强度与延展性的最佳平衡。

此外，研究还探讨了成分波动对材料微观结构的影响。在等原子比的Ni-Co固溶体合金中，成分波动会导致局部区域的原子排列发生变化，从而形成不同的堆垛层错能分布。这种分布不仅影响位错的滑移行为，还对材料的整体力学性能产生重要影响。通过分析不同成分波动模式下的材料响应，可以进一步揭示其微观结构与力学性能之间的关系。研究还发现，成分波动的长度尺度对材料的性能具有显著影响，较长的波长可能更有利于位错的积累和塑性变形，而较短的波长可能更有效地阻碍位错的运动，提高材料的强度。

研究进一步指出，成分波动的调控是实现高强度和高延展性协同增强的关键。通过引入波长超过随机固溶体中部分位错间距的成分波动，可以在材料中形成稳定的位错结构，从而提高其强度和延展性。这种调控策略不仅适用于Ni-Co固溶体合金，也可能适用于其他高浓度固溶体合金。因此，研究强调了成分波动在材料设计中的重要性，并提出了通过调控成分波动来优化材料性能的可行方法。

研究还发现，成分波动对材料的变形机制具有深远影响。在等原子比的Ni-Co固溶体合金中，成分波动不仅改变了局部堆垛层错能的分布，还通过改变局部应力场和位错行为，影响了材料的塑性变形能力。这种影响在不同成分波动长度尺度下表现各异，进一步揭示了成分波动对材料性能的复杂调控作用。研究还指出，成分波动的长度尺度对材料的性能具有显著影响，较长的波长可能更有利于位错的积累和塑性变形，而较短的波长可能更有效地阻碍位错的运动，提高材料的强度。

通过分子动力学模拟，研究揭示了成分波动对材料力学性能的多尺度调控作用。在局部尺度上，成分波动会影响堆垛层错能的分布，从而改变位错的滑移行为；在宏观尺度上，成分波动会通过改变材料的微观结构，影响其整体的强度和延展性。这种多尺度调控作用表明，成分波动在材料设计中具有重要的战略意义。研究还发现，成分波动的长度尺度对材料的性能具有显著影响，较长的波长可能更有利于位错的积累和塑性变形，而较短的波长可能更有效地阻碍位错的运动，提高材料的强度。

此外，研究还探讨了成分波动对材料变形机制的影响。在等原子比的Ni-Co固溶体合金中，成分波动会导致局部区域的堆垛层错能发生变化，从而影响位错的滑移路径和速度。这种影响在不同成分波动长度尺度下表现各异，进一步揭示了成分波动对材料性能的复杂调控作用。研究还指出，成分波动的长度尺度对材料的性能具有显著影响，较长的波长可能更有利于位错的积累和塑性变形，而较短的波长可能更有效地阻碍位错的运动，提高材料的强度。

综上所述，这项研究通过分子动力学模拟，揭示了成分波动对等原子比Ni-Co固溶体合金力学行为的深远影响。研究发现，成分波动不仅改变了局部堆垛层错能的分布，还通过改变局部应力场和位错行为，影响了材料的强度和延展性。通过调控成分波动的长度和振幅，可以在材料中实现强度与延展性的最佳平衡。这些发现为优化先进材料的力学性能提供了重要的理论依据，并为未来材料设计和性能调控提供了新的思路。