《Nature Commun》研究：可塑性变形析出相提升高熵合金疲劳寿命

                 

工程结构中经常发生由于疲劳失效而引起的灾难性事故。因此，对循环变形和疲劳失效机制的基本理解，对抗疲劳结构材料的发展至关重要。

在此，来自美国橡树岭国家实验室的Ke An&美国诺克斯维尔大学的Peter. K. Liaw等研究者，报道了一种通过可塑性变形多组分B2析出相得到的具有增强疲劳寿命的高熵合金。相关论文以题为“Enhancing fatigue life by ductile-transformable multicomponent B2 precipitates in a high-entropy alloy”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23689-6

据统计，近90%的机械失效，是由远低于材料的极限强度或屈服强度的循环应力下的疲劳所引起的。因此，结构材料的疲劳寿命，是评价其在实际工程环境中是否可靠使用的关键标准。为了提高材料的疲劳强度，常用的方法之一是通过引入金属间析出相硬化，来提高材料的疲劳强度。然而，引入额外的相界面总是伴随着降低疲劳裂纹萌生阻力的有害副作用。当材料反复经历低塑性变形，即低塑性应变振幅时，如结构构件不断受到冲击时，这种趋势尤为明显。因此，传统的合金设计策略，面临着同时提高疲劳强度和抗疲劳裂纹萌生能力的困境。

近年来，一种新的合金设计概念——高熵合金(HEAs)，在提高材料力学性能方面显示出了巨大的潜力。HEAs中的不同特性，如严重的晶格畸变、多组分析出相、短程有序(SRO)和可调谐堆垛层错能(SFE)等，可以用来改善材料的疲劳性能。特别是，最近在HEAs中观察到的非典型多组分金属间相，与脆性金属间化合物不同，其可以在不牺牲太多塑性的情况下提高强度。这种有趣的特性被认为会显著影响力学行为，包括尚未报道的循环塑性变形行为。

在以上思路的启发下，研究者设计了一种多组分B2析出相强化HEA，来改善结构材料的疲劳性能。研究者发现，在~0.03%的低塑性应变幅下，通过加入韧性可转变的多组分B2相，设计合金的疲劳寿命至少是其他常规合金的4倍，表现出更强的抗疲劳裂纹萌生能力。研究者通过使用最新的实时原位中子衍射和先进的电子显微镜，以及晶体塑性建模和蒙特卡罗(MC)模拟，揭示了其底层机制。在高熵合金中观察到位错滑移、析出强化、变形孪晶和可逆马氏体相变等多种循环变形机制。研究表明，其在低应变幅下的疲劳性能的改善，即高的疲劳裂纹萌生抗力，归因于B2强化相的高弹性、塑性变形能力和马氏体相变。结果表明，将可变形的多组分金属间析出相结合，并提供多种有益的循环变形机制的设计思想，为设计先进的抗疲劳合金提供了新的方向。

图1 所研究的HEA的相和微观结构信息。

图2 Al_0.5CoCrFeNi合金的拉伸和LCF结果。

图3 实时原位中子衍射结果。

图4 TEM和SEM表征了不同应变幅下的结构演变。

图5 MC模拟结果。

图6 所研究的HEA中的循环变形机制和微裂纹萌生行为示意图。

综上所述，研究者的工作为理解多组分B2析出强化HEA的循环变形机制提供了一个完整的思路，并通过引入可变形的多组分金属间析出相来指导抗疲劳合金的设计，这些析出相可以通过调整HEAs成分和热机械加工很容易实现。（ 文：水生 ）

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