《Acta Materialia》揭示超低温下中熵合金抗疲劳裂纹增强机制！

导读：本文研究了等原子、单相、面心立方结构的铬钴镍基中熵合金的疲劳裂纹扩展特性，该合金显示出优异的强度、延展性、抗疲劳特性和韧性，并且这些性能都在低温下得到显著增强。在室温和低温两种尺寸(~7和68 um)晶粒下，研究了疲劳裂纹的扩展情况及疲劳门槛值。发现疲劳门槛值随温度降低和晶粒尺寸增大而增大: 细晶合金从293K时的5.7 MPa√m增加到77K时的8 MPa√m，粗晶合金从293K时的9.4 MPa√m增加到77K时的13.7 MPa√m。293K时的穿晶裂纹在低温下转变为沿晶和穿晶的混合状态，其中纳米孪晶似乎有通过偏转裂纹路径来抑制生长速率的倾向。铬钴镍基合金具有更优越的机械性能，在抗疲劳裂纹扩展方面优于Cantor合金。

随着对先进结构材料的持续需求，等原子多组分金属材料已经获得了人们极大的关注，因为它们具有良好的综合机械性能，包括拉伸强度、延展性和韧性以及优异的耐腐蚀性和耐磨性。难熔合金通过加入几种耐火元素试图实现高温强度和室温延展性，而许多铬钴镍基合金在低温下已经表现出优异的机械性能。例如，Cantor (CrMnFeCoNi)高熵合金，其抗拉强度超过700 MPa，延展性约为70%，断裂韧性值超过200 MPa√m，并且这些性能在低温下得到进一步提高。

然而，作为Cantor合金的一种衍生物，面心立方单相等原子铬钴镍基中熵合金(MEA)显示出更好的损伤容限，在液氮温度下拉伸强度为1.3 GPa，延展性约为90%，断裂韧性临界值> 270 MPa√m。这种罕见的强度和延展性随着温度降低而同时提高，这是由于在较低温度下较高的强度导致变形孪晶较早产生。大量纳米孪晶界的产生阻碍了位错运动并导致加工硬化能力的增强，这延迟了颈缩不稳定性的开始，导致强度和延展性的增强。

与对铬钴镍基合金机械性能的广泛研究相反，对高熵合金的疲劳性能的研究很有限，疲劳总是会限制其使用寿命。大多数早期关于高强度合金疲劳的研究集中在阐明加工变量对铬钴镍基合金的应力/应变寿命(S-N)行为的影响。

基于此，劳伦斯伯克利国家实验室Robert O.Ritchie教授课题组研究了CrCoNi基中熵合金的疲劳裂纹扩展行为在不同温度(293K，198K对77K)和晶粒尺寸(约7和68微米)的显著区别，并研究这种行为的微观结构根源，特别是裂纹闭合和变形纳米孪晶的机械作用。与CrMnFeCoNi合金相比，铬钴镍基合金具有更优越的机械性能，可以预测铬钴镍基合金在抗疲劳裂纹扩展方面将优于Cantor合金。相关研究结果以题“Effects of Cryogenic Temperature and Grain Size on Fatigue-Crack Propagation in the Medium-Entropy CrCoNi Alloy”发表在金属顶刊《Acta materialia》上

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.021

本文基于对两种晶粒尺寸约7和68μm铬钴镍基中熵合金的疲劳裂纹在室温(293K)和低温(198K和77K)温度下从约10-11到> 10-7米/周期的大范围生长速率条件下研究，尽管中等增长率范围的Paris指数具有可比性(m ~ 2.7–3.9)，但将试验温度从293K降低到77K会导致疲劳裂纹扩展阻力显著增加，尤其是临界疲劳应力强度值增加。这种效应在粗晶合金中更为明显。

图1示意图显示了确定的闭合载荷:在典型的卸载循环中，通过找到两条直线的交点拟合弹性模量(或载荷与背面应变) 分别在Pmax和Pmin的末端附近曲线。

图2 细晶和粗晶铬钴镍合金的显微组织和拉伸性能。锻棒横截面的反极图显示均匀的等轴晶粒，其尺寸为(a)在1073K下再结晶1 h后约7 μm，和(b)在1173K下进一步退火1h后约68 μm。 (c) ~7μm和(d) ~68μm晶粒尺寸结构分别在293K、198K和77K下测量的工程应力-应变曲线，表明当温度从室温降低到198K和77K的低温时，屈服强度、抗拉强度和应变增加。

图3。在293K、198K和77K温度下测试了7 m 和68 m两种不同晶粒尺寸的铬钴合金的疲劳裂纹扩展行为。细晶合金的临界应力强度增加了40%，从室温下的5.7MPa增加到77K时的8 MPa。粗晶合金的疲劳裂纹门槛值甚至更高，从293K时的9.4MPa到77K时的13.7 MPa。左边的箭头表示每个周期大约一个晶格间距的裂纹增长率。

图4。粗晶和细晶铬钴镍中熵合金中的临界应力强度范围与屈服强度的函数

图5，以闭合应力强度与最大应力强度之比表示，裂纹闭合程度可作为应力强度范围的函数。

图6 根据da/dN与DK和DKeff而言绘制了细晶和粗晶铬钴合金中熵合金的疲劳裂纹扩展行为。

从机理上讲，粗糙度引起的裂纹闭合在提高低温下的疲劳门槛值和粗晶微观结构中起着关键作用。在疲劳裂纹扩展试验期间闭合载荷的柔度测量显示，粗晶粒合金中的裂纹闭合程度更高。

接近临界值水平下粗糙度引起的裂纹闭合增强是由低临界水平下较小的裂纹张开位移和提高断裂表面粗糙度的几个因素造成的，特别是在粗晶微观结构中。这些因素包括198K时部分晶间模式的出现以及退火和变形孪晶在偏转裂纹路径中的作用。后一种机制在77K的细晶合金中特别明显，在这种情况下，合金的高强度和裂纹尖端区域的高拉伸应力促进了裂纹附近大量的孪晶变形；在293K和198K时，细晶和粗晶合金的疲劳裂纹扩展过程中没有观察到这种孪晶。

图7 293K、198K和77K时细晶和粗晶铬钴合金结构在接近门槛值疲劳裂纹路径剖面的EBSD扫描图。

图8曲折疲劳裂纹路径轮廓的EBSD扫描图，主要突出了由变形孪晶引起的频繁裂纹偏转，细晶粒合金的门槛值在77K时接近~ 8MPa，和(b) 粗晶粒合金同样在77K时具有较高的门槛值~ 28MPa

图9。细晶和粗晶铬钴合金结构在293K、198K和77K的近门槛区疲劳断口的扫描电镜图像。

图10。疲劳断裂表面在12微米范围内塑性尾流中纳米孪晶和位错的透射电镜表征。变形纳米孪晶在细晶合金的塑性尾流中在近阈值区(a)293K和(b) 198K不存在，但在(c) 77K明显。(d)在77K的近门槛值范围内测试的粗晶合金中，未观察到纳米孪晶；然而可以清楚地看到大量的堆垛层错和平滑带。(e)在77K下，在较高的DK ~ 28MPa下，粗晶合金中可以看到由多种变形纳米孪晶形成的孪晶网络。注意到(b)所示的孪晶薄片是退火孪晶，而不是变形孪晶。

图11铬钴中熵合金与铬锰铬钴高熵合金和其他几种可比较的结构合金的裂纹扩展疲劳行为的比较；特别是奥氏体不锈钢[46]，孪晶诱发塑性(TWIP)钢[54]和镍基高温合金[55–57]。

综上所述，就其抗疲劳裂纹扩展能力而言，铬钴镍基中熵合金优于CrMnFeCoNi (Cantor)高熵合金，尤其是在接近临界应力强度值时。该合金表现出与许多传统高强度和先进金属结构合金相当的裂纹扩展性能。考虑到其强度、拉伸延展性、断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展的优异组合性能都随着温度的降低而增强，铬钴镍基中熵合金代表了一类安全型应用的优良结构合金（特别是在低温条件下服役时）。