短程有序对W-Ta固溶体延展性的影响

短程有序被认为是固溶体的强化机制之一，因为溶质和溶剂原子之间形成的有序原子环境比溶剂原子本身具有更强的电子相互作用。原则上，短程有序原子环境也可以通过调节溶质-溶剂电子相互作用来改变固溶体的脆性/延展性。短程有序如何影响固溶体相的内在脆性/延展性还有待进一步研究。钨(W)被认为是一种固有的脆性金属，因为它在室温下几乎不存在延展性并且具有高的延脆转变温度(DBTT)。然而，钨及其合金的广泛应用需要一定程度的延展性以确保可加工性和成形性。Pugh经验判据的剪切模量与体积模量比(G/B)被广泛用于反映材料的脆性/延展性，钨具有固有的脆性，因为它的G/B值高(0.52)。已有研究观察到一些W固溶体的固溶软化现象，称为“Re效应”，然而固溶体软化现象取决于溶质浓度和分布，相比于原子浓度，更重要的是探讨局部原子排列如何影响固有脆性，从而影响宏观固溶体软化或强化。

中南大学的研究人员通过第一性原理计算探讨了短程有序对W-Ta固溶体延展性的影响。W-Ta固溶体是目前大力开发的方向之一。

 

研究发现在相同的Ta浓度下，形成能与短程有序参数呈线性关系，即结构越有序，形成能越低。最有序的结构具有最低的形成能。短程有序结构的较低形成能意味着W-Ta系统的有序化趋势，而实验观察到的固溶相可能是由那些短程有序结构的平均场效应引起的。W-Ta系统中的这种有序趋势可以解释在离子辐照下W-Ta合金的W和Ta原子的均匀分布现象。正如预期的那样，添加Ta会降低G/B值。几乎所有短程有序结构的G/B都低于Vegard定律中W和Ta的G/B线性组合。当W:Ta接近1:1时，短程有序结构的G/B跨越很大的范围。表明Ta可以降低W-Ta固溶体的脆性。

图1 W-Ta固溶体中各种短程有序结构的形成能  

图2 (a) G/B值，(B) W-W键比例与Ta浓度的关系  

图3 W50Ta50相的G/B值与(a)短程有序参数(B)中心对称参数的函数关系  

图4 (a) W和B2 W50Ta50(110)截面的电荷密度；(b) W和B2 W50Ta50的态密度(DOS)和晶体轨道哈密顿布居(COHP)  

Ta可以减少Re的偏析并表现出较低的辐照硬化程度，即短程有序结构比原子分离结构更具延展性。尽管从G/B推导出的内在脆性和延展性为理解这些实验观察提供了线索，但短程排序可能会在移动位错的尾部留下反相边界(APB)，导致所谓的短程排序加强。与完美无序合金的临界剪切应力(CRSS)相比，这种强化可能会在一定程度上增加固溶体的脆性。与理想固溶体(完全无序合金)相比，W-W键数较少且对称性较低的短程有序结构显示出韧性特征，而W-W键数较多且对称性较高的短程有序结构显示出脆性。本文的发现不仅有助于理解W合金的脆/韧行为，而且也为W合金的固溶软化/强化研究提供了理论基础。

　　

      审核编辑：彭静