Unveiling the mechanisms of motion of synchro-Shockley dislocations in Laves phases

Abstract

In Laves phases, synchroshear is the dominant basal slip mechanism. It is accomplished by the glide of synchro-Shockley dislocations. However, the atomic-scale mechanisms of motion of such zonal dislocations are still not well understood. In this paper, using atomistic simulations, two 30⁢∘ synchro-Shockley dislocations with different Burgers vectors and core structures and energies are identified. We demonstrate that nucleation and propagation of kink pairs is the energetically favorable mechanism for the motion of the synchro-Shockley dislocation (partial I). Vacancy hopping and interstitial shuffling are identified as two key mechanisms related to kink propagation, and we investigated how vacancies and antisite defects assist kink nucleation and propagation, which is crucial for kink mobility. Additionally, we identified a mechanism of nonsequential atomic shuffling for the motion of the synchro-Shockley dislocation (partial II). These findings provide insights into the dependency on temperature and chemical composition of plastic deformation induced by zonal dislocations in Laves phases and the many related topologically close-packed phases.

Recommended citation: Xie, Chauraud, Atila, Bitzek, Korte-Kerzel, Guénolé. "Unveiling the mechanisms of motion of synchro-Shockley dislocations in Laves phases." Physical Review Materials. 7(5).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
Laves phases are a class of materials known for their strength, especially at high temperatures, but they are brittle at room temperature. This brittleness limits their use in applications. The primary way these materials deform is through a process called synchroshear, which involves the movement of specific defects called synchro-Shockley dislocations. However, the exact atomic-level mechanisms governing how these dislocations move, and how they are affected by imperfections like vacancies or misplaced atoms, have not been fully understood. This study uses advanced computer simulations to investigate these atomic-scale movements. The researchers identified two main types of synchro-Shockley dislocations and found that their motion is primarily driven by the formation and propagation of 'kink pairs.' For one type of dislocation, this involves atoms hopping into vacancies or shuffling around. For the other type, a different mechanism of atomic rearrangement occurs. The key findings reveal that the movement of these dislocations is not a simple glide but a complex process involving atomic rearrangements. Importantly, the study shows that imperfections like vacancies and misplaced atoms can significantly lower the energy required for these dislocations to move, potentially making the material less brittle. This understanding is crucial for designing Laves phase alloys with improved mechanical properties, such as enhanced ductility at room temperature, which could lead to their wider use in demanding applications like aerospace or high-performance engines.

🇸🇦 العربية
تُعدّ أطوار لافيس فئة من المواد المعروفة بقوتها، خاصة في درجات الحرارة العالية، لكنها تكون هشة في درجة حرارة الغرفة. هذه الهشاشة تحد من استخدامها في التطبيقات. الطريقة الأساسية التي تتشوه بها هذه المواد هي من خلال عملية تسمى القص المتزامن (synchroshear)، والتي تتضمن حركة عيوب محددة تسمى خلوع شينكرو-شوكلي (synchro-Shockley dislocations). ومع ذلك، لم تُفهم تمامًا الآليات الدقيقة على المستوى الذري التي تحكم كيفية تحرك هذه الخلوع، وكيف تتأثر بالعيوب مثل الفجوات أو الذرات الموضوعة في غير مكانها. تهدف هذه الدراسة إلى استخدام محاكاة حاسوبية متقدمة لفحص هذه الحركات على المستوى الذري. حدد الباحثون نوعين رئيسيين من خلوع شينكرو-شوكلي ووجدوا أن حركتها مدفوعة بشكل أساسي بتكوين وانتشار 'أزواج الالتواء' (kink pairs). بالنسبة لنوع واحد من الخلوع، يتضمن ذلك انتقال الذرات إلى الفجوات أو إعادة ترتيبها. بالنسبة للنوع الآخر، تحدث آلية مختلفة لإعادة ترتيب الذرات. تكشف النتائج الرئيسية أن حركة هذه الخلوع ليست مجرد انزلاق بسيط، بل هي عملية معقدة تتضمن إعادة ترتيب الذرات. والأهم من ذلك، تُظهر الدراسة أن العيوب مثل الفجوات والذرات الموضوعة في غير مكانها يمكن أن تقلل بشكل كبير من الطاقة المطلوبة لتحرك هذه الخلوع، مما قد يجعل المادة أقل هشاشة. هذا الفهم ضروري لتصميم سبائك أطوار لافيس بخصائص ميكانيكية محسنة، مثل تحسين المطيلية في درجة حرارة الغرفة، مما قد يؤدي إلى استخدامها على نطاق أوسع في التطبيقات الصعبة مثل الطيران أو المحركات عالية الأداء.

🇫🇷 Français
Les phases de Laves sont une classe de matériaux connus pour leur résistance, en particulier à haute température, mais ils sont fragiles à température ambiante. Cette fragilité limite leur utilisation dans diverses applications. La principale façon dont ces matériaux se déforment est par un processus appelé cisaillement synchrone (synchroshear), qui implique le mouvement de défauts spécifiques appelés dislocations synchro-Shockley. Cependant, les mécanismes exacts au niveau atomique qui régissent le mouvement de ces dislocations, et comment elles sont affectées par des imperfections telles que les lacunes ou les atomes mal placés, n'ont pas été entièrement compris. Cette étude utilise des simulations informatiques avancées pour examiner ces mouvements à l'échelle atomique. Les chercheurs ont identifié deux principaux types de dislocations synchro-Shockley et ont découvert que leur mouvement est principalement entraîné par la formation et la propagation de 'paires de coudes' (kink pairs). Pour un type de dislocation, cela implique des atomes sautant dans des lacunes ou se réarrangeant. Pour l'autre type, un mécanisme différent de réarrangement atomique se produit. Les principales conclusions révèlent que le mouvement de ces dislocations n'est pas une simple glissière, mais un processus complexe impliquant des réarrangements atomiques. De manière importante, l'étude montre que les imperfections telles que les lacunes et les atomes mal placés peuvent réduire considérablement l'énergie nécessaire au mouvement de ces dislocations, rendant potentiellement le matériau moins fragile. Cette compréhension est cruciale pour la conception d'alliages à base de phases de Laves avec des propriétés mécaniques améliorées, telles qu'une ductilité accrue à température ambiante, ce qui pourrait conduire à leur utilisation plus large dans des applications exigeantes comme l'aérospatiale ou les moteurs haute performance.

🇩🇪 Deutsch
Laves-Phasen sind eine Materialklasse, die für ihre Festigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, bekannt ist, aber bei Raumtemperatur spröde ist. Diese Sprödigkeit schränkt ihre Anwendungsmöglichkeiten ein. Die primäre Art und Weise, wie sich diese Materialien verformen, ist ein Prozess namens Synchroscherung (synchroshear), der die Bewegung spezifischer Defekte, sogenannter Synchro-Shockley-Dislokationen, beinhaltet. Die genauen atomaren Mechanismen, die die Bewegung dieser Versetzungen steuern und wie sie durch Unvollkommenheiten wie Leerstellen oder fehlplatzierte Atome beeinflusst werden, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Diese Studie verwendet fortschrittliche Computersimulationen, um diese atomaren Bewegungen zu untersuchen. Die Forscher identifizierten zwei Haupttypen von Synchro-Shockley-Versetzungen und stellten fest, dass ihre Bewegung hauptsächlich durch die Bildung und Ausbreitung von 'Knickpaaren' (kink pairs) angetrieben wird. Bei einem Versetzungstyp beinhaltet dies, dass Atome in Leerstellen springen oder sich neu anordnen. Bei dem anderen Typ tritt ein anderer Mechanismus der atomaren Umlagerung auf. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass die Bewegung dieser Versetzungen keine einfache Gleitung ist, sondern ein komplexer Prozess, der atomare Umlagerungen beinhaltet. Wichtig ist, dass die Studie zeigt, dass Unvollkommenheiten wie Leerstellen und fehlplatzierte Atome die für die Bewegung dieser Versetzungen erforderliche Energie erheblich reduzieren können, wodurch das Material potenziell weniger spröde wird. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Entwicklung von Laves-Phasen-Legierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie z. B. erhöhter Duktilität bei Raumtemperatur, was zu einer breiteren Anwendung in anspruchsvollen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder Hochleistungsmotoren führen könnte.