導讀：與均質結構材料相比，異質結構材料表現出前所未有的性能。在目前的工作中，通過機械銑削（MM）和放電等離子燒結（SPS）工藝制備了一系列具有不同殼分數的諧波結構CoCrFeMnNi高熵合金（HEA ），殼層分數在 20% 和 40% 之間的諧波結構 HEA 表現出優異的強度-延展性協同作用和良好的低周疲勞抗性。LCF過程中，位錯的發展和重排主要發生在粗晶區（核），而超細晶區（殼）表現出良好的循環穩定性。增強的應變硬化導致諧波結構 HEA中高強度和高延展性的良好平衡。此外，增強的延展性也抑制了 LCF 失效。

高熵合金 (HEAs) 因其優異的機械性能、優異的抗氧化和耐腐蝕性能等前所未有的性能而引起了人們的關注 。CoCrFeMnNi HEA 具有面心立方 (FCC) 晶體結構，在低溫下表現出良好的拉伸性能和斷裂韌性。然而，傳統的粗晶 (CG) CoCrFeMnNi HEAs 在室溫下的強度相對較低。因此，已經提出了劇烈塑性變形 (SPD) 和熱機械工藝來生產具有高強度和高硬度的超細晶粒 (UFG) 或納米晶粒 (NG) HEA  。不可避免地，延展性隨著強度的增加而惡化。

如今，異質結構設計已被提出以實現優異的機械性能，即高強度、高延展性以及良好的抗疲勞性 的組合。盧等人研究了梯度納米晶粒結構 (GNS) 材料的機械性能和疲勞性能。宏觀應變梯度會引起額外的應變硬化，從而實現強度和延展性的良好平衡。值得注意的是，GNS材料具有更好的HCF和LCF電阻比 CG 材料。出乎意料地增強的 LCF 疲勞抗力歸因于受限的應變局部化和損傷累積。在異質層狀 (HL) 材料中也實現了卓越的強度-延展性協同作用。分層結構可以釋放應變局部化，從而提高 HCF 抗性。此外，諧波結構是典型的異質結構之一，其中CG結構（核）嵌入由三維UFG網絡結構（殼）組成的基體中。與傳統的CG和UFG分布不規則的雙峰結構相比，諧波結構在宏觀上具有規則的網絡UFG結構。

天津大學張喆教授團隊通過機械研磨和SPS工藝制備了一系列具有不同殼分數的諧波結構CoCrFeMnNi HEA 。由于增強的應變硬化，殼分數在 20% 到 40% 之間的諧波結構 HEA 表現出高強度、高延展性和良好LCF。LCF過程中局部塑性變形主要發生在相對較軟的核心區域，這促進了位錯的產生和重排，導致初始循環硬化和隨后的循環軟化。同時，殼區表現出良好的循環穩定性。此外，增強的延展性和穩定的能量分散保持了 LCF 阻力?？傮w而言，諧波結構設計是在 CoCrFeMnNi HEA 中實現強度-延展性和抗 LCF 的優異協同作用的有效方法。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222000914

圖1（k，l）中具有不同殼分數的諧波結構CoCrFeMnNi HEA的拉伸性能。諧波結構 CoCrFeMnNi HEA 的典型工程應力-應變曲線如圖 1（k）所示。此外，機械性能對殼分數的依賴性總結在圖 S4 中。正如預期的那樣，強度隨著殼分數的增加而顯著增加。圖 2顯示了在相同應變幅（Δ ε /2 = 0.5%）下殼分數對LCF性能的影響。具有不同殼分數的樣品的典型循環響應如圖2所示（一種）。值得注意的是，CG 和諧波結構樣品在最初的 10 個循環中都表現出初始循環硬化，并且進一步的循環加載會產生連續的循環軟化。在疲勞失效之前沒有出現明顯的二次循環硬化。為了揭示諧波結構 CoCrFeMnNi HEA的循環變形機制，通過 TEM 研究了 CG 樣品和殼分數為 38.2% 的諧波結構樣品的微觀結構演變。圖 3顯示了LCF過程中晶粒結構和位錯的形態。圖 3 (ac) 分別顯示了 CG 樣品在疲勞前、疲勞 10 次循環和大約N f /2 次循環時位錯的演變。一些位錯保留在燒結的 CG 樣品中。位錯在初始階段迅速發展，導致初始循環硬化（見圖3(b))。

圖 1。燒結CoCrFeMnNi HEAs的顯微組織和拉伸性能：(a, f) IP, S f  = 0%; (b, g) MM40h, S f  = 20.3%; (c, h) MM60h S f  = 31.4%；(d, i) MM80h S f  = 38.2%；(e, j) MM100h S f  = 46.8%。(ae) OM 圖像，(fj) EBSD IPF 圖像覆蓋高角度邊界；(k) 代表性工程拉伸應力-應變曲線；(l)應變硬化率的變化。CG - 粗粒度樣品，HS - 諧波結構樣品，d核/ d殼- 平均核和殼區域的晶粒尺寸，S f - 殼區域的分數。

圖 2。在 Δ ε /2 = 0.5%下具有不同殼分數的諧波結構 CoCrFeMnNi HEA 的 LCF 性能：( a) 代表性循環應力響應；(b) 殼分數對循環硬化應力和軟化應力的影響；(c) 半衰期磁滯回線；(d) 循環塑性應變響應；(e)疲勞壽命與外殼分數的變化。（ f ）滯后環面積與殼分數的變化。CG – 粗粒樣品，HS - 諧波結構樣品， d核/ d殼- 核和殼區域的平均晶粒尺寸，Sf - 殼面積的分數。

圖 3。（ac）CG樣品，（df）核心區域和（gi）諧波結構樣品（S f  = 38.2％）循環變形前后的微觀結構演變。

諧波結構 CoCrFeMnNi HEAs的LCF失效機理如圖 4所示。可以觀察到，在LCF過程中，CG樣品表面會出現大量滑移線和滑移帶（見圖4（a，b））。沿滑移帶的擠壓/侵入會產生缺陷，從而導致局部應力集中和裂紋萌生。相比之下，圖 4(ce) 顯示了殼分數為 46.8% 的諧波結構樣品中典型的疲勞裂紋萌生，其中核/殼邊界由白點線表示。

圖 4。LCF測試后（a，b）CG樣品和（ce）諧波結構樣品（S f  = 46.8％）的表面形態；(f) 諧波結構 CoCrFeMnNi HEA 的疲勞裂紋萌生示意圖