在低周疲勞加載下，等原子面心立方 (FCC) CoCrFeMnNi 高熵合金的塑性變形由位錯結(jié)構(gòu)（如位錯墻，位錯胞）的形成而累積，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋萌生。雖然已有文章報(bào)道過這些位錯結(jié)構(gòu)，但關(guān)于它們的形成機(jī)制還存在爭議。此外，應(yīng)變幅度、循環(huán)加載次數(shù)和晶粒取向?qū)ξ诲e結(jié)構(gòu)的影響還未見報(bào)道。

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員通過開展室溫下低周疲勞試驗(yàn)，結(jié)合透射電鏡顯微結(jié)構(gòu)研究，闡述了兩種不同晶粒尺寸的CoCrFeMnNi合金的循環(huán)變形行為和相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)變化，并系統(tǒng)探討了不同位錯結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。相關(guān)論文以題為 ‘Deformation mechanisms of CoCrFeMnNi high-entropy alloy under low-cycle-fatigue loading’ 發(fā)表在《Acta Materialia》。

論文鏈接：

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

本文通過透射電鏡研究表明，在低應(yīng)變幅（0.3%）下，位錯結(jié)構(gòu)主要由平面滑移帶（planar slip bands）組成，而在較高應(yīng)變幅（0.5%和0.7%）下，位錯主要形成墻、迷宮和胞結(jié)構(gòu)（wall， labyrinth and cell）等。這一結(jié)果也揭示了位錯的運(yùn)動由低應(yīng)變幅下的平面滑移向高應(yīng)變幅下的交滑移的轉(zhuǎn)變。

圖1 不同應(yīng)變幅下的微觀結(jié)構(gòu)

通過研究不同循環(huán)次數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，增加循環(huán)次數(shù)導(dǎo)致位錯結(jié)構(gòu)從初始的位錯纏結(jié)（tangles）演變?yōu)椴煌暾麘B(tài)的墻（或血管）結(jié)構(gòu)；最后到完整態(tài)的墻（或胞）結(jié)構(gòu)。這種位錯結(jié)構(gòu)的演變與觀察到的循環(huán)應(yīng)力變化一致，即初始循環(huán)硬化、隨后軟化和接近穩(wěn)態(tài)直至失效。同時(shí)得出結(jié)論，位錯的滑移模式也從最初的平面滑移變?yōu)閹аh(huán)數(shù)的交滑移。此外，通過對位錯柏氏矢量的確定，發(fā)現(xiàn)位錯墻、迷宮和胞結(jié)構(gòu)中的位錯具有不同的柏氏矢量，這表明除了交滑移外，多重滑移也是位錯墻（迷宮和胞）結(jié)構(gòu)形成的原因之一。

圖2 不同循環(huán)次數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)

最后，通過研究不同晶粒取向的位錯結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，不同于單晶材料，在多晶CoCrFeMnNi合金中，晶粒取向與位錯結(jié)構(gòu)的形成沒有直接的關(guān)系。因此作者認(rèn)為，多晶材料中，不同位錯結(jié)構(gòu)的形成更多地由相鄰晶粒的約束決定。此外，單個(gè)晶粒中多種位錯結(jié)構(gòu)的形成也與相鄰晶粒的約束效應(yīng)有關(guān)。

圖3 多個(gè)不同取向的晶粒的位錯結(jié)構(gòu)

本文揭示的CoCrFeMnNi 高熵合金在低周疲勞下的變形機(jī)理，同樣適用于具有同等層錯能（Stacking Fault Energy）的其他FCC高熵合金。同時(shí)本文對比了該合金和316L奧氏體鋼的循環(huán)變形響應(yīng)，解釋了高熵合金潛在的獨(dú)特疲勞性能的來源，為將來高抗疲勞性能的高熵合金設(shè)計(jì)提供了支持。

另外，該研究人員還對比研究了CoCrFeMnNi 高熵合金和CoCrNi中熵合金，相關(guān)成果以題目‘Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi’發(fā)表在《Scripta Materialia》上。研究發(fā)現(xiàn)CoCrNi具有更好的疲勞性能，并將這種性能歸因于CoCrNi較低的層錯能。相較于CoCrFeMnNi中位錯的交滑移運(yùn)動引起的墻和胞結(jié)構(gòu)，CoCrNi的低層錯能促進(jìn)了位錯的平面運(yùn)動，使得塑性變形更加均勻，進(jìn)而提高了疲勞性能。

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