两篇金属顶刊！高熵合金、中熵合金低周疲劳加载下的变形机理

在低周疲劳加载下，等原子面心立方 (FCC) CoCrFeMnNi 高熵合金的塑性变形由位错结构（如位错墙，位错胞）的形成而累积，进而导致裂纹萌生。虽然已有文章报道过这些位错结构，但关于它们的形成机制还存在争议。此外，应变幅度、循环加载次数和晶粒取向对位错结构的影响还未见报道。

德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员通过开展室温下低周疲劳试验，结合透射电镜显微结构研究，阐述了两种不同晶粒尺寸的CoCrFeMnNi合金的循环变形行为和相应的微观结构变化，并系统探讨了不同位错结构的形成机理。相关论文以题为 'Deformation mechanisms of CoCrFeMnNi high-entropy alloy under low-cycle-fatigue loading’ 发表在《Acta Materialia》。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117089

本文通过透射电镜研究表明，在低应变幅（0.3%）下，位错结构主要由平面滑移带（planar slip bands）组成，而在较高应变幅（0.5%和0.7%）下，位错主要形成墙、迷宫和胞结构（wall， labyrinth and cell）等。这一结果也揭示了位错的运动由低应变幅下的平面滑移向高应变幅下的交滑移的转变。

图1 不同应变幅下的微观结构

通过研究不同循环次数下的微观结构发现，增加循环次数导致位错结构从初始的位错缠结（tangles）演变为不完整态的墙（或血管）结构；最后到完整态的墙（或胞）结构。这种位错结构的演变与观察到的循环应力变化一致，即初始循环硬化、随后软化和接近稳态直至失效。同时得出结论，位错的滑移模式也从最初的平面滑移变为带循环数的交滑移。此外，通过对位错柏氏矢量的确定，发现位错墙、迷宫和胞结构中的位错具有不同的柏氏矢量，这表明除了交滑移外，多重滑移也是位错墙（迷宫和胞）结构形成的原因之一。

图2 不同循环次数下的微观结构

最后，通过研究不同晶粒取向的位错结构发现，不同于单晶材料，在多晶CoCrFeMnNi合金中，晶粒取向与位错结构的形成没有直接的关系。因此作者认为，多晶材料中，不同位错结构的形成更多地由相邻晶粒的约束决定。此外，单个晶粒中多种位错结构的形成也与相邻晶粒的约束效应有关。

图3 多个不同取向的晶粒的位错结构

本文揭示的CoCrFeMnNi 高熵合金在低周疲劳下的变形机理，同样适用于具有同等层错能（Stacking Fault Energy）的其他FCC高熵合金。同时本文对比了该合金和316L奥氏体钢的循环变形响应，解释了高熵合金潜在的独特疲劳性能的来源，为将来高抗疲劳性能的高熵合金设计提供了支持。

另外，该研究人员还对比研究了CoCrFeMnNi 高熵合金和CoCrNi中熵合金，相关成果以题目'Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi’发表在《Scripta Materialia》上。研究发现CoCrNi具有更好的疲劳性能，并将这种性能归因于CoCrNi较低的层错能。相较于CoCrFeMnNi中位错的交滑移运动引起的墙和胞结构，CoCrNi的低层错能促进了位错的平面运动，使得塑性变形更加均匀，进而提高了疲劳性能。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113667

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。