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《MRL》：高熵合金在循環(huán)加載下的有效應(yīng)力和背應(yīng)力演變！

2022-07-18 16:49:45 作者：材料基來源：材料基分享至：

工程結(jié)構(gòu)和材料往往會受到循環(huán)載荷的作用，發(fā)生由疲勞失效引起的嚴(yán)重事故。因此，對材料循環(huán)變形機理的基本理解，對設(shè)計具有較高的抗疲勞性能的結(jié)構(gòu)材料至關(guān)重要。近年來，一種基于多主元素的合金設(shè)計概念（高熵合金HEA），為研究者們探索具有更高力學(xué)性能的材料提供了廣闊的空間。當(dāng)前，研究者們在理解高熵合金的低周疲勞（LCF）行為和微觀結(jié)構(gòu)演變方面做了豐富的工作。例如，與傳統(tǒng)的FCC合金相比，面心立方（FCC）CoCrFeMnNi 模型高熵合金表現(xiàn)出相當(dāng)甚至更高的抗疲勞能力。然而，對高熵合金在低周疲勞加載下循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)的起源和阻礙位錯運動的缺陷的類型的理解還有限。

廣泛認(rèn)為，材料在加載下的總應(yīng)力（flow stress）可以分為兩部分：有效應(yīng)力（effective stress）和背應(yīng)力（back stress）。對這些應(yīng)力演變的深入認(rèn)識，有助于描述材料在變形下的本構(gòu)行為，如位錯的滑移行為。具體來說，有效應(yīng)力是位錯克服短程障礙所需的應(yīng)力，如晶格摩擦（lattice friction）和位錯林（dislocation forest）等，而背部力是指來自位錯克服晶界和位錯亞結(jié)構(gòu)（dislocation substructure）等的長程阻力所需的應(yīng)力，通常與Bauschinger效應(yīng)有關(guān)。

通過不同的加載方式（如應(yīng)變逐漸增加的拉伸-壓縮試驗、或等幅值應(yīng)變的拉伸-壓縮疲勞試驗），研究者們已經(jīng)對多種常規(guī)FCC合金材料的有效應(yīng)力和背應(yīng)力有了清晰的認(rèn)識。以FCC 316鋼為例，在循環(huán)加載過程中，有效應(yīng)力在其大部分疲勞壽命期間保持不變；而背應(yīng)力主要決定了其循環(huán)應(yīng)力反應(yīng)。而對于高熵合金，僅有一項工作采用應(yīng)變逐漸增加的拉伸-壓縮試驗報告了CoCrFeMnNi 高熵合金的較高的背應(yīng)力，并歸因于該材料較低的位錯交滑移的能力。而由于加載方式的不同，有效應(yīng)力和背應(yīng)力的演變會有不同，因此對于高熵合金在等幅值循環(huán)加載下的應(yīng)力演變，仍有待探索。

因此，本工作開展了等幅值應(yīng)變的拉伸-壓縮疲勞試驗，應(yīng)用Cottrell方法對遲滯應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析，獲得了CoCrFeMnNi高熵合金在循環(huán)加載下的有效應(yīng)力和背應(yīng)力的演變（包括循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅和材料晶粒大小的影響），并與該材料在循環(huán)加載下的微觀結(jié)構(gòu)的變化進行了聯(lián)系。此外，還進一步將CoCrFeMnNi高熵合金與傳統(tǒng)316L鋼、CoCrNi中熵合金進行了對比，揭示了其疲勞強度見差異的來源。相關(guān)工作以題為 “Effective and back stresses evolution upon cycling a high-entropy alloy”的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文第一作者為卡爾斯魯厄理工學(xué)院Lu Kaiju。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2054667

研究結(jié)果表明，在所加載的三種應(yīng)變幅（0.3%、 0.5%、0.7%）下，CoCrFeMnNi高熵合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)（即初始循環(huán)硬化、隨后的軟化和穩(wěn)態(tài)）是由背應(yīng)力的演變決定的，而這與微觀位錯結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變有很好的關(guān)聯(lián)（即位錯結(jié)構(gòu)由位錯堆積pile-ups，到低能量位錯墻wall和胞cell結(jié)構(gòu)的變化）。

圖1.細(xì)晶（FG）CoCrFeMnNi在0.5%的應(yīng)變幅下，峰值拉應(yīng)力、有效應(yīng)力和背應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化圖。插圖（a-c）分別是在20次、500次和壽命結(jié)束階段（分別代表循環(huán)硬化、軟化和接近穩(wěn)定階段）的典型TEM顯微照片

以往研究表明，CoCrFeMnNi在應(yīng)變逐漸增加的拉伸-壓縮試驗中，有效應(yīng)力顯著增加。而我們發(fā)現(xiàn)， CoCrFeMnNi在等幅值應(yīng)變疲勞加載下，有效應(yīng)力并不隨著循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅度和晶粒大小的改變而發(fā)生明顯變化。這表明，完全可逆循環(huán)加載時的有效應(yīng)力更多的是由晶格摩擦（lattice friction）而非位錯林（dislocation forest）決定的。

圖2.FG CoCrFeMnNi在0.3%、0.5%和0.7%的應(yīng)變幅下的峰值拉應(yīng)力、有效應(yīng)力和背應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化：反映應(yīng)變幅值的影響。

此外，結(jié)果顯示，CoCrFeMnNi背應(yīng)力隨著應(yīng)變幅的增加和晶粒尺寸的減小而明顯增加。這表明，循環(huán)加載下的應(yīng)變硬化和晶界硬化主要來自于背應(yīng)力。

圖3.（a）細(xì)晶粒（FG）和粗晶粒（CG） CoCrFeMnNi在0.5%應(yīng)變幅下的峰值拉應(yīng)力、有效應(yīng)力和背應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化：反映晶粒尺寸的影響。

進一步與316L鋼相比，CoCrFeMnNi高熵合金表現(xiàn)出更高的有效應(yīng)力和背應(yīng)力，表明該材料的固溶強化和晶界強化都更高。

圖4.（a）粗晶粒（CG） CoCrFeMnNi和316L鋼在0.7%應(yīng)變幅下的峰值拉應(yīng)力、有效應(yīng)力和背應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化：反映CoCrFeMnNi和316L鋼的區(qū)別。

上述關(guān)于CoCrFeMnNi有效應(yīng)力和背應(yīng)力的演變分析，同樣適用其他具有FCC結(jié)構(gòu)的高熵合金和中熵合金（如CoCrNi）。且相比CoCrFeMnNi，CoCrNi具有更高的有效應(yīng)力和背應(yīng)力，促進了其更高的疲勞強度，這與來自于CoCrNi更高的晶格畸變和晶界強化。