Анализ влияния ближнего порядка на механизмы деформации при сдвиге высокоэнтропийных сплавов TiNbZrV и TiNbZrHf
https://doi.org/10.25587/2222-5404-2025-22-3-23-36
Аннотация
В работе проведено комплексное моделирование влияния ближнего порядка на механические свойства объемно-центрированных кубических высокоэнтропийных сплавов ZrTiNbV и ZrTiNbHf при сдвиговой деформации с использованием гибридного подхода молекулярной динамики и Монте-Карло. Высокоэнтропийные сплавы представляют собой новый класс материалов, получаемых путем смешивания четырех и более элементов в примерно равных долях, что обеспечивает уникальное сочетание свойств и расширяет возможности традиционного материаловедения. В последние годы особое внимание уделяется механическим свойствам и деформационным механизмам высокоэнтропийных сплавов именно с ОЦК решеткой, где ключевую роль играют винтовые дислокации, взаимодействие с атомами различных элементов и формирование ближнего порядка, способствующего упрочнению материала. Построены бикристаллические модели с различной степенью атомного упорядочения, полученной в результате МД/МК-релаксации, что позволило реализовать как хаотическое, так и кластеризованное распределение элементов. Проведен сравнительный анализ структурных изменений, эволюции дефектов и механических характеристик (в частности, предела текучести) при сдвиге. Установлено, что в сплаве ZrTiNbV формирование кластеров Nb инициирует локальные фазовые превращения ОЦК → ГПУ и снижает предел текучести, тогда как для ZrTiNbHf образование сегрегаций и нанокластеров эффективно препятствует миграции границ зерен и фазовым превращениям, что приводит к значительному повышению прочности. Полученные результаты согласуются с современными представлениями о роли ближнего порядка в упрочнении высокоэнтропийных материалов и демонстрируют, что целенаправленное управление химическим упорядочением и структурой границ зерен может быть эффективным инструментом для оптимизации механических свойств высокоэнтропийных сплавов. Работа расширяет фундаментальные знания о механизмах пластичности и разрушения в многокомпонентных сплавах, а также открывает новые перспективы для их применения в условиях высоких механических нагрузок и агрессивных сред.
Ключевые слова
высокоэнтропийные сплавы,
ближний порядок,
объемно-центрированные кубические решетки,
гексагональные плотноупакованные решетки,
ZrTiNbV,
ZrTiNbHf,
молекулярно-динамическое моделирование,
метод Монте-Карло,
сдвиговая деформация,
механические свойства,
LAMMPS
При поддержке: Семёнова М.Н. благодарит за финансовую поддержку исследования (проведение исследования, создание черновика рукописи) Российский научный фонд, грант № 24-22-00092.
Об авторах
А. А. Давлетбаков
Уфимский университет науки и технологий
Россия
Россия
Давлетбаков Арслан Асхатович – инженер молодежной лаборатории «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях».
Уфа
Р. И. Бабичева
Уфимский университет науки и технологий; Институт физики молекул и кристаллов Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук
Россия
Россия
Бабичева Рита Исмагиловна – к. ф.-м. н., с. н. с. молодежной лаборатории «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях», ФГБОУ ВО «УУНиТ»; научный сотрудник, ИФМК ФГБНУ «УФИЦ РАН».
Уфа
ResearcherID AAT-6126-2021, Scopus ID 36547494300
М. Н. Семёнова
Политехнический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова
Россия
Россия
Семёнова Мария Николаевна – к. ф.-м. н., доц. каф. ФиПМ.
Мирный
Researcher ID AAD-2973-2020, Scopus ID 57204979109
Е. A. Корзникова
Уфимский университет науки и технологий; Политехнический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова; Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук
Россия
Россия
Корзникова Елена Александровна – д. ф.-м. н., доцент, зав. молодежной лабораторией «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях», ФГБОУ ВО «УУНиТ»; проф. каф. ЭиАПП, Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВО «СВФУ им. М.К. Аммосова» г. Мирном; в. н. с. ФГБНУ «ИПСМ РАН».
Мирный; Уфа
Researcher ID H-7922-2016, Scopus ID 9939896100
Список литературы
1. Kamal MV, Ragunath S, Hema Sagar Reddy M, et al. Recent Advancements in Lightweight High Entropy Alloys - A Comprehensive Review. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2024;7:699-720. DOI: 10.1016/j.ijlmm.2024.06.001 (in English).
2. Babicheva RI, Semyonov AS, Izosimov AA, Korznikova EA. Analysis of Short-Range Ordering Effect on Tensile Deformation Behavior of Equiatomic High-Entropy Alloys TiNbZrV, TiNbZrTa and TiNbZrHf Based on Atomistic Simulations. Modelling. 2024;5(4):1853-1864. DOI: 10.3390/modelling5040096 (in English).
3. Sobieraj D, Wróbel JS, Rygier T, et al. Chemical short-range order in derivative Cr–Ta– Ti–V–W high entropy alloys from the first-principles thermodynamic study. Physical Chemistry Chemical Physics. 2020;22(46):23929-23951. DOI: 10.1039/D0CP03764H (in English).
4. Kozhakhmetov Ye, Skakov M, Kurbanbekov S, et al. High-Entropy Alloys: Innovative Materials with Unique Properties for Hydrogen Storage and Technologies for Their Production. Metals. 2025;15(2):100. DOI: 10.3390/met15020100 (in English).
5. Wang Q, Yao Y. Harnessing machine learning for high-entropy alloy catalysis: a focus on adsorption energy prediction. npj Computational Materials. 2025;11:91. DOI: 10.1038/s41524-025-01579-5 (in English).
6. Xi R, Li Y. Recent Advances in the Performance and Mechanisms of High-Entropy Alloys Under Low- and High-Temperature Conditions. Coatings. 2025;15(1):92. DOI: 10.3390/coatings15010092 (in English).
7. Zhuo L, Xie Y, Chen B. A review on recent progress of refractory high entropy alloys: From fundamental research to engineering applications. Journal of Materials Research and Technology. 2024;33:1097-1129. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.09.131 (in English).
8. Straumal B, Korneva A, Kuzmin A, et al. High Entropy Alloys for Energy Conversion and Storage: A Review of Grain Boundary Wetting Phenomena. Energies. 2022;15(19):7130. DOI: 10.3390/en15197130 (in English).
9. Dada M, Popoola P, Mathe N, et al. Recent Advances of High Entropy Alloys: High Entropy Superalloys. IntechOpen. 2021. DOI: 10.5772/intechopen.96661 (in English).
10. Ivanov YuF, Krysina ОV, Petrikova ЕА, et al. Cermet coatings produced by vacuum-arc evaporation of a high-entropy alloy. Materials. Technologies. Design. 2023;5(5):29-42. DOI: 10.54708/26587572_2023_551529 (in English).
11. Nafikov RK, Ganeev АV, Valiev RZ, et al. Investigation of nano-scale precipitates in the CoCrFeMnNi high-entropy alloy processed by high-pressure torsion. Materials. Technologies. Design. 2024;6(1):47-58. DOI: 10.54708/26587572_2024_611647 (in Russian).
12. Savina YN, Valiev RR, Nazarov АYu, et al. Formation of high-entropy TiZrVCrAl coating on the surface of the Ti-6Al-4V titanium alloy at different technological parameters. Materials. Technologies. Design. 2024;6(2):81-91. DOI: 10.54708/26587572_2024_621781 (in Russian).
13. Abuayash АМ, Islamgaliev RK, Nesterov КM, et al. Structure and mechanical properties of high-entropy Fe-Ni-Mn-Cr alloy subjected to HPT. Materials. Technologies. Design. 2024;6(4):29-40. DOI: 10.54708/26587572_2024_641929 (in Russian).
14. Kalinenko А, Zuiko I, Bodyakova А, Kaibyshev Р. Effect of intermediate deformation and artificial ageing on the mechanical properties of a Al-Cu-Mg alloy. Materials. Technologies. Design. 2024;6(4):67-78. DOI: 10.54708/26587572_2024_641967 (in Russian).
15. Bryzgalov VА, Morkina АYu, Abdullina DU, et al. High-density pulsed current: a review of its role in healing macrocracks in metals. Materials. Technologies. Design. 2024;6(2):38-58. DOI: 10.54708/26587572_2024_621738 (in Russian).
16. Kosarev IV, Kistanov АА, Ibragimov МR, et al. Consideration of linear topological defects in silicene through molecular dynamics and ab-initio calculations. Materials. Technologies. Design. 2024;6(1):13-21. DOI: 10.54708/26587572_2024_611613 (in Russian).
17. Solovyov АV, Pesterev ЕА, Yakovlev ЕV, et al. Computer simulation of thermal fields of the Cr-Mo-Zr system for coating formation using a low-energy high-current electron beam. Materials. Technologies. Design. 2023;5(5):122-128. DOI: 10.54708/26587572_2023_5515122 (in Russian).
18. Timiryaev RR, Nazarov КS, Korznikova GF, et al. Mechanical tensile properties of an Al-Nb composite obtained by deformation of shear under pressure. Materials. Technologies. Design. 2021;3(2):5-12. DOI: 10.54708/26587572_2021_3245 (in Russian).
19. Zhang Yong, Zuo Ting Ting, Tang Z, et al. Microstructures and properties of high-entropy alloys. Progress in Materials Science. 2014;61:1-93. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.10.001 (in English).
20. Gludovatz B, Hohenwarter A, Catoor D, et al. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science. 2018;345(6201):1153-1158. DOI: 10.1126/science.1254581 (in English).
21. Li Z, Pradeep KG, Deng Yu, et al. Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength–ductility trade-off. Nature. 2016;534:227-230. DOI: 10.1038/nature17981 (in English).
22. Wang SD, Liu XJ, Lei ZF, et al. Chemical short-range ordering and its strengthening effect in refractory high-entropy alloys. Physical Review B. 2018;103:104107. DOI: 10.1103/PhysRevB.103.104107 (in English).
23. Ding Jun, Qin Yu, Mark Asta, et al. Tunable stacking fault energies by tailoring local chemical order in CrCoNi medium-entropy alloys. PNAS. 2018;115:8919-8924. DOI: 10.1073/pnas.1808660115 (in English).
24. Li L, Kamachali RD, Li Z, Zhang Z. Grain boundary energy effect on grain boundary segregation in an equiatomic high-entropy alloy. Physical Review Materials. 2020;34:053603. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.053603 (in English).
25. Yurchenko N, Panina E, Salishchev G, Stepanov N. Structure and mechanical properties of near-eutectic refractory Al-Cr-Nb-Ti-Zr high entropy alloys. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1014:012058. DOI: 10.1088/1757-899X/1014/1/012058 (in English).
26. Vakili SM, Zarei-Hanzaki A, Anoushe AS, et al. Reversible dislocation movement, martensitic transformation and nano-twinning during elastic cyclic loading of a metastable high entropy alloy. Acta Materialia. 2020;185:474-492. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.12.040 (in English).
27. Soumyadipta M, Walter S. Phase stability, local chemical disorder and its effect on the mechanical properties of refractory high-entropy alloys. arXiv. 2016;1601:06015. DOI: 10.48550/arXiv.1601.06015 (in English).
28. 28. Strother JD, Hargather CZ. Stacking fault energies on {112} planes of an AlNbTaTiV BCC high-entropy alloy from first-principles calculations, analyzed with inferential statistics. Materialia. 2020;14:100927. DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100927 (in English).
29. Wu Yu, Zhang F, Yuan X, et al. Short-range ordering and its effects on mechanical properties of high-entropy alloys. Journal of Materials Science & Technology. 2021;62:214-220. DOI: 10.1016/j.jmst.2020.06.018 (in English).
30. Chen Sh, Aitken ZH, Pattamatta S, et al. Simultaneously enhancing the ultimate strength and ductility of high-entropy alloys via short-range ordering. Nature Communications. 2021;12:4953. DOI: 10.1038/s41467-021-25264-5 (in English).
31. He T, Qi Yu, Ji Y, Feng M. Grain boundary segregation-induced strengthening-weakening transition and its ideal maximum strength in nanopolycrystalline FeNiCrCoCu high-entropy alloys. International Journal of Mechanical Sciences. 2023;238:107828. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107828 (in English).
32. Fernández-Caballero A, Wróbel JS, Mummery PM, Nguyen-Manh D. Short-Range Order in High Entropy Alloys: Theoretical Formulation and Application to Mo-Nb-Ta-V-W System. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2017;38:391-403. DOI: 10.1007/s11669-017-0582-3 (in English).
33. Sahlberg M, Karlsson D, Zlotea C, Jansson U. Superior hydrogen storage in high entropy alloys. Scientific Reports. 2016;6:36770. DOI: 10.1038/srep36770 (in English).
34. Lee Ch, Xie D, Li J, et al. Dynamic Deformation Behaviors in Single Body-Centered-Cubic (BCC) phase Refractory High-entropy Alloys. Research Square. 2022:1-36. DOI: 10.21203/rs.3.rs-3471175/v1 (in English).
35. Kube SA, Schroers J. Metastability in high entropy alloys. Scripta Materialia. 2020;186:392-400. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.05.049 (in English).
36. Mora-Barzaga G, Urbassek HM, Deluigi OR, et al. Chemical short-range order increases the phonon heat conductivity in a refractory high-entropy alloy. Scientific Reports. 2024;14:20628. DOI: 10.1038/s41598-024-70500-9 (in English).
37. Xun K, Zhang B, Wang Q, et al. Local chemical inhomogeneities in TiZrNb-based refractory high-entropy alloys. Journal of Materials Science & Technology. 2023;135:221-230. DOI: 10.1016/j.jmst.2022.06.047 (in English).
38. Yu B, Ren Y, Zeng Yi, et al. Recent progress in high-entropy alloys: A focused review of preparation processes and properties. Journal of Materials Research and Technology. 2024;29:2689-2719. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.01.246 (in English).
39. Li Zh, Raabe D. Strong and Ductile Non-equiatomic High-Entropy Alloys: Design, Processing, Microstructure, and Mechanical Properties. JOM. 2019;69:2099-2106. DOI: 10.1007/s11837-017-2540-2 (in English).
40. Arun S, Radhika N, Saleh B. Exploring the Potential of High Entropy Alloys: A Comprehensive Review on Microstructure, Properties and Applications. Johnson Matthey Technology Review. 2024;68(4):549-566. DOI: 10.1595/205651324X17028969538851 (in English).
Рецензия
Для цитирования:
Давлетбаков А.А., Бабичева Р.И., Семёнова М.Н., Корзникова Е.A. Анализ влияния ближнего порядка на механизмы деформации при сдвиге высокоэнтропийных сплавов TiNbZrV и TiNbZrHf. Вестник Северо-Восточного федерального университета имени М. К. Аммосова. 2025;22(3):23-36. https://doi.org/10.25587/2222-5404-2025-22-3-23-36
For citation:
Davletbakov A.A., Babicheva R.I., Semyonova M.N., Korznikova E.A. Analysis of short-range ordering effect on shear deformation mechanisms of high-entropy alloys TiNbZrV and TiNbZrHf. Vestnik of North-Eastern Federal University. 2025;22(3):23-36. (In Russ.) https://doi.org/10.25587/2222-5404-2025-22-3-23-36
Просмотров:
15
Послать статью по эл. почте 