《MRL》：高熵合金在循环加载下的有效应力和背应力演变！

工程结构和材料往往会受到循环载荷的作用，发生由疲劳失效引起的严重事故。因此，对材料循环变形机理的基本理解，对设计具有较高的抗疲劳性能的结构材料至关重要。近年来，一种基于多主元素的合金设计概念（高熵合金HEA），为研究者们探索具有更高力学性能的材料提供了广阔的空间。当前，研究者们在理解高熵合金的低周疲劳（LCF）行为和微观结构演变方面做了丰富的工作。例如，与传统的FCC合金相比，面心立方（FCC）CoCrFeMnNi 模型高熵合金表现出相当甚至更高的抗疲劳能力。然而，对高熵合金在低周疲劳加载下循环应力响应的起源和阻碍位错运动的缺陷的类型的理解还有限。

广泛认为，材料在加载下的总应力（flow stress）可以分为两部分：有效应力（effective stress）和背应力（back stress）。对这些应力演变的深入认识，有助于描述材料在变形下的本构行为，如位错的滑移行为。具体来说，有效应力是位错克服短程障碍所需的应力，如晶格摩擦（lattice friction）和位错林（dislocation forest）等，而背部力是指来自位错克服晶界和位错亚结构（dislocation substructure）等的长程阻力所需的应力，通常与Bauschinger效应有关。

通过不同的加载方式（如应变逐渐增加的拉伸-压缩试验、或等幅值应变的拉伸-压缩疲劳试验），研究者们已经对多种常规FCC合金材料的有效应力和背应力有了清晰的认识。以FCC 316钢为例，在循环加载过程中，有效应力在其大部分疲劳寿命期间保持不变；而背应力主要决定了其循环应力反应。而对于高熵合金，仅有一项工作采用应变逐渐增加的拉伸-压缩试验报告了CoCrFeMnNi 高熵合金的较高的背应力，并归因于该材料较低的位错交滑移的能力。而由于加载方式的不同，有效应力和背应力的演变会有不同，因此对于高熵合金在等幅值循环加载下的应力演变，仍有待探索。

因此，本工作开展了等幅值应变的拉伸-压缩疲劳试验，应用Cottrell方法对迟滞应力-应变曲线进行分析，获得了CoCrFeMnNi高熵合金在循环加载下的有效应力和背应力的演变（包括循环次数、应变幅和材料晶粒大小的影响），并与该材料在循环加载下的微观结构的变化进行了联系。此外，还进一步将CoCrFeMnNi高熵合金与传统316L钢、CoCrNi中熵合金进行了对比，揭示了其疲劳强度见差异的来源。相关工作以题为 “Effective and back stresses evolution upon cycling a high-entropy alloy”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为卡尔斯鲁厄理工学院Lu Kaiju。

原文链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2054667

研究结果表明，在所加载的三种应变幅（0.3%、 0.5%、0.7%）下，CoCrFeMnNi高熵合金的循环应力响应（即初始循环硬化、随后的软化和稳态）是由背应力的演变决定的，而这与微观位错结构的转变有很好的关联（即位错结构由位错堆积pile-ups，到低能量位错墙wall和胞cell结构的变化）。

图1.细晶（FG）CoCrFeMnNi在0.5%的应变幅下，峰值拉应力、有效应力和背应力随循环次数的变化图。插图（a-c）分别是在20次、500次和寿命结束阶段（分别代表循环硬化、软化和接近稳定阶段）的典型TEM显微照片

以往研究表明，CoCrFeMnNi在应变逐渐增加的拉伸-压缩试验中，有效应力显著增加。而我们发现， CoCrFeMnNi在等幅值应变疲劳加载下，有效应力并不随着循环次数、应变幅度和晶粒大小的改变而发生明显变化。这表明，完全可逆循环加载时的有效应力更多的是由晶格摩擦（lattice friction）而非位错林（dislocation forest）决定的。

图2.FG CoCrFeMnNi在0.3%、0.5%和0.7%的应变幅下的峰值拉应力、有效应力和背应力随循环次数的变化：反映应变幅值的影响。

此外，结果显示，CoCrFeMnNi背应力随着应变幅的增加和晶粒尺寸的减小而明显增加。这表明，循环加载下的应变硬化和晶界硬化主要来自于背应力。

图3.（a） 细晶粒（FG）和粗晶粒（CG） CoCrFeMnNi在0.5%应变幅下的峰值拉应力、有效应力和背应力随循环次数的变化：反映晶粒尺寸的影响。

进一步与316L钢相比，CoCrFeMnNi高熵合金表现出更高的有效应力和背应力，表明该材料的固溶强化和晶界强化都更高。

图4.（a）粗晶粒（CG） CoCrFeMnNi和316L钢在0.7%应变幅下的峰值拉应力、有效应力和背应力随循环次数的变化：反映CoCrFeMnNi和316L钢的区别。

上述关于CoCrFeMnNi有效应力和背应力的演变分析，同样适用其他具有FCC结构的高熵合金和中熵合金（如CoCrNi）。且相比CoCrFeMnNi，CoCrNi具有更高的有效应力和背应力，促进了其更高的疲劳强度，这与来自于CoCrNi更高的晶格畸变和晶界强化。

图5.（a）细晶粒（FG）CoCrNi和CoCrFeMnNi在0.7%应变幅下的峰值拉应力、有效应力和背应力随循环次数的变化：反映CoCrNi和CoCrFeMnNi的区别。

因此，这项工作率先揭示了高（中）熵合金在循环加载下强度的来源，并确定了循环加载时位错运动的障碍类型。

本文由作者团队供稿，感谢对本文的大力支持。

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