台湾交大《Acta Materialia》：过载增强高熵合金疲劳性能！

中国台湾交通大学等单位的研究人员研究了拉伸过载对宏观疲劳的影响。通过透射电镜和有限元分析探讨了单fcc CoCrFeMnNi HEAs的裂纹扩展性能、残余应变/应力分布、疲劳裂纹尖端附近的塑性区大小以及相应的潜在机制。相关论文以题为“Enhancement of fatigue resistance by overload-induced deformation twinning in a CoCrFeMnNi high-entropy alloy”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.016

本研究使用的是真空感应熔炼（VIM）CoCrFeMnNi合金（等摩尔）。制备了宽度50.8mm，厚度6.35mm的CoCrFeMnNi的CT样品。在疲劳裂纹扩展实验之前，将CT样品预裂纹至初始裂纹长度为1.27 mm。进行疲劳（稳态）和拉伸超载两种疲劳测试。

研究发现铸态的CoCrFeMnNi在初始状态和塑性变形后均保持单相fcc结构，具有粗大晶粒（500-3000μm）和树枝状组织的微观结构特征。铸态组织中抗疲劳性的提高可归因于断裂表面粗糙度的增加。铸态CoCrFeMnNi试样在两种不同的疲劳试验中仍保持单相fcc结构。可以认为恒定振幅和可变振幅的循环载荷不会在铸态CoCrFeMnNi HEA中引起相变。拉伸过载时由于在裂纹尖端附近激活孪晶的临界分切应力超过235 MPa，CoCrFeMnNi合金中的孪晶组织也会引起加工硬化，从而提高了的抗疲劳性。

图1 疲劳和过载的CoCrFeMnNi样品的裂纹扩展速率与应力强度因子范围

图2 （a）疲劳状态下宏观断口表面的SEM显微照片；（b-e）是（a）中相应正方形的放大图像

图3 （a）拉伸过载疲劳条件下宏观断口表面的SEM显微照片；（b-f）是（a）中相应正方形的放大图像

图4 室温下（a）疲劳和（b）过载的CoCrFeMnNi HEA中裂纹尖端附近的HRTEM图像与相应的SAED模式以及区域轴为[011]

图5 (a)在裂缝长度为16mm处，卸载后裂纹尖端周围-5~5mm的主应力和剪切应力分布示意图；(b)扩大网格细化区域；(c)疲劳试样和(d)过载试样的主应力分布等值线图；(e)疲劳试样和(f)过载试样的剪切应力分布等值线图。

裂纹尖端塑性区内以位错滑移为主的微结构和压应力分布是疲劳裂纹扩展的主要影响因素。另一方面，扩展塑性区的孪晶裂纹行为，加上裂纹尖端前的超载引起的大塑性和裂纹尖端的钝化，引起单相fcc CoCrFeMnNi拉伸过载后的裂纹生长阻滞机制。这样的综合效应表明疲劳裂纹扩展的耐疲劳特性。本研究结果可用于抗疲劳HEAs的设计，也可用于疲劳模型的建立和模拟，进而促进HEAs的应用。（文：破风）