短程有序?qū)-Ta固溶體延展性的影響

短程有序被認為是固溶體的強化機制之一，因為溶質(zhì)和溶劑原子之間形成的有序原子環(huán)境比溶劑原子本身具有更強的電子相互作用。原則上，短程有序原子環(huán)境也可以通過調(diào)節(jié)溶質(zhì)-溶劑電子相互作用來改變固溶體的脆性/延展性。短程有序如何影響固溶體相的內(nèi)在脆性/延展性還有待進一步研究。鎢(W)被認為是一種固有的脆性金屬，因為它在室溫下幾乎不存在延展性并且具有高的延脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)。然而，鎢及其合金的廣泛應用需要一定程度的延展性以確?？杉庸ば院统尚涡?。Pugh經(jīng)驗判據(jù)的剪切模量與體積模量比(G/B)被廣泛用于反映材料的脆性/延展性，鎢具有固有的脆性，因為它的G/B值高(0.52)。已有研究觀察到一些W固溶體的固溶軟化現(xiàn)象，稱為“Re效應”，然而固溶體軟化現(xiàn)象取決于溶質(zhì)濃度和分布，相比于原子濃度，更重要的是探討局部原子排列如何影響固有脆性，從而影響宏觀固溶體軟化或強化。

中南大學的研究人員通過第一性原理計算探討了短程有序?qū)-Ta固溶體延展性的影響。W-Ta固溶體是目前大力開發(fā)的方向之一。

研究發(fā)現(xiàn)在相同的Ta濃度下，形成能與短程有序參數(shù)呈線性關(guān)系，即結(jié)構(gòu)越有序，形成能越低。最有序的結(jié)構(gòu)具有最低的形成能。短程有序結(jié)構(gòu)的較低形成能意味著W-Ta系統(tǒng)的有序化趨勢，而實驗觀察到的固溶相可能是由那些短程有序結(jié)構(gòu)的平均場效應引起的。W-Ta系統(tǒng)中的這種有序趨勢可以解釋在離子輻照下W-Ta合金的W和Ta原子的均勻分布現(xiàn)象。正如預期的那樣，添加Ta會降低G/B值。幾乎所有短程有序結(jié)構(gòu)的G/B都低于Vegard定律中W和Ta的G/B線性組合。當W:Ta接近1:1時，短程有序結(jié)構(gòu)的G/B跨越很大的范圍。表明Ta可以降低W-Ta固溶體的脆性。

圖1 W-Ta固溶體中各種短程有序結(jié)構(gòu)的形成能

圖2 (a) G/B值，(B) W-W鍵比例與Ta濃度的關(guān)系

圖3 W50Ta50相的G/B值與(a)短程有序參數(shù)(B)中心對稱參數(shù)的函數(shù)關(guān)系

圖4 (a) W和B2 W50Ta50(110)截面的電荷密度；(b) W和B2 W50Ta50的態(tài)密度(DOS)和晶體軌道哈密頓布居(COHP)

Ta可以減少Re的偏析并表現(xiàn)出較低的輻照硬化程度，即短程有序結(jié)構(gòu)比原子分離結(jié)構(gòu)更具延展性。盡管從G/B推導出的內(nèi)在脆性和延展性為理解這些實驗觀察提供了線索，但短程排序可能會在移動位錯的尾部留下反相邊界(APB)，導致所謂的短程排序加強。與完美無序合金的臨界剪切應力(CRSS)相比，這種強化可能會在一定程度上增加固溶體的脆性。與理想固溶體(完全無序合金)相比，W-W鍵數(shù)較少且對稱性較低的短程有序結(jié)構(gòu)顯示出韌性特征，而W-W鍵數(shù)較多且對稱性較高的短程有序結(jié)構(gòu)顯示出脆性。本文的發(fā)現(xiàn)不僅有助于理解W合金的脆/韌行為，而且也為W合金的固溶軟化/強化研究提供了理論基礎。