當(dāng)前，FCC單相多主元合金（如CoCrNi和CoCrFeMnNi模型合金）引起了研究人員大量的關(guān)注。其中，相比大多數(shù)FCC多主元合金，具有低堆垛層錯(cuò)能（SFE）的CoCrNi基合金顯現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)塑性、疲勞和裂紋擴(kuò)展損傷性能。盡管CoCrNi基多主元合金的強(qiáng)度-延展性能及變形機(jī)理已廣為人知，但它們?cè)谘h(huán)載荷下的性能以及基本的疲勞變形機(jī)制如何，仍是未被完全理解的科學(xué)問(wèn)題。回答這些問(wèn)題對(duì)于它們潛在的工程應(yīng)用至關(guān)重要，這是因?yàn)椋s80%的工程裝備機(jī)械故障是由疲勞破壞引起的。

因此，來(lái)自德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員利用透射電子顯微鏡（TEM），深入研究了具有低層錯(cuò)能的CoCrNi多主元合金在室溫下的疲勞變形機(jī)制，重點(diǎn)分析了循環(huán)加載下的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)形成原因。相關(guān)成果以題為‘Cooperative deformation mechanisms in a fatigued CoCrNi multi-principal element alloy: A case of low stacking fault energy’的論文發(fā)表在力學(xué)頂刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105419

首先，通過(guò)對(duì)比CoCrNi多主元合金與其他多主元合金（如CoCrFeMnNi, CrFeNi, Al_0.5CoCrFeMnNi, Al_0.5CoCrFeNi）及傳統(tǒng)奧氏體鋼（如high-Mn TWIP steel, AL6XN steel, Sanicro25, 316L steel)）的低周疲勞性能，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)該CoCrNi合金在Manson-Coffin曲線(xiàn)及Wohler曲線(xiàn)中均顯示了較為優(yōu)異的疲勞性能。

Fig. 1. (A) Manson-Coffin、(B) Wohler 曲線(xiàn)對(duì)比：CoCrNi 合金與其他多主元合計(jì)及傳統(tǒng)奧氏體鋼

接著，利用TEM深入揭示了CoCrNi多主元合金在0.3%、0.5%、0.7%應(yīng)變幅下的疲勞變形機(jī)理，發(fā)現(xiàn)該CoCrNi合金呈現(xiàn)兩種主要的位錯(cuò)構(gòu)型：即滑移帶、位錯(cuò)墻/胞結(jié)構(gòu)，而這兩種位錯(cuò)構(gòu)型通常分別形成于具有低 SFE 和高 SFE合金材料中。

具體地，在 0.3% 的低應(yīng)變振幅下，疲勞變形特征包括主滑移帶和雙滑移帶（分別在≈71% 和 29% 晶粒中占主導(dǎo)地位），如圖2。

Fig. 2. CoCrNi合金在 0.3% 應(yīng)變幅下測(cè)試直至斷裂的 BF-TEM 顯微照片。這里，典型的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)是滑移帶：(A-C) 主滑移帶，(D-F) 雙滑移帶。

隨著循環(huán)應(yīng)變幅增大至0.5%和0.7%，除了平面滑移帶之外，由于位錯(cuò)交滑移和多滑移體系的激活，還形成了位錯(cuò)墻/胞結(jié)構(gòu)（如圖3）。定量地，在 0.5% 和 0.7% 的應(yīng)變振幅下，分別在≈33% 和 60% 晶粒中發(fā)現(xiàn)了位錯(cuò)墻/胞結(jié)構(gòu)，其余晶粒呈現(xiàn)平面滑移帶結(jié)構(gòu)。

更有意思的是，在位錯(cuò)墻/胞之間的位錯(cuò)通道內(nèi)，不僅觀察到了通常認(rèn)為的螺位錯(cuò)，而且發(fā)現(xiàn)了不全位錯(cuò)和層錯(cuò)，它們通過(guò)平面滑移的方式在位錯(cuò)墻/胞之間運(yùn)動(dòng)。因此，在CoCrNi合金中，盡管存在位錯(cuò)墻/胞等代表著嚴(yán)重局部變形的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)通道內(nèi)的不全位錯(cuò)和層錯(cuò)平面滑移行為，在循環(huán)加載下仍可承載“更可逆”的塑性應(yīng)變，從而延遲疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。因此，這一行為，很好的解釋了具有低層錯(cuò)能的CoCrNi合金優(yōu)異的疲勞和耐損傷性能。

Fig. 3. CoCrNi合金在 0.7% 應(yīng)變幅下直至斷裂測(cè)試的 TEM 顯微照片。這里，典型的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)包括（A-C）滑移帶（SB）、堆垛層錯(cuò)（SF）和（D-E）位錯(cuò)墻/胞

進(jìn)一步，對(duì)位錯(cuò)密度及位錯(cuò)類(lèi)型的估算與分析，發(fā)現(xiàn)：隨著應(yīng)變幅的增加，總位錯(cuò)密度的顯著增加來(lái)自于統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)位錯(cuò)（statistically stored dislocations，SSDs）的增加，而幾何必須位錯(cuò)密度（geometrically necessary dislocations，GNDs）的增加幅度相對(duì)不顯著（圖4）。因此對(duì)比位錯(cuò)結(jié)構(gòu)隨著應(yīng)變幅的變化，推斷：位錯(cuò)墻/胞結(jié)構(gòu)可能在疲勞變形中發(fā)揮統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)位錯(cuò)的作用，而位錯(cuò)滑移帶可能作為幾何必須位錯(cuò)。

Fig. 4. 在不同應(yīng)變幅下CoCrNi 合金的總位錯(cuò)密度、GND-密度和 SSD-密度

此外，對(duì)不同晶粒取向的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不同位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（滑移帶、位錯(cuò)墻/胞結(jié)構(gòu)）的形成與晶粒取向的關(guān)系不大，進(jìn)一步分析認(rèn)為，相鄰晶粒的約束和Copley-Kear效應(yīng)更有可能決定了這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成。其中，Copley-Kear效應(yīng)能夠很好地解釋CoCrNi中全位錯(cuò)和不全位錯(cuò)的共存（或交滑移和平面滑移共存）。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于低層錯(cuò)能的合金材料，由于加載方向（即拉伸或壓縮）的不同，不全位錯(cuò)的分離距離也不同，分別表現(xiàn)出全位錯(cuò)或不全位錯(cuò)滑移特征。

Fig. 5. 在 (A) 0.3% 和 (B) 0.7% 應(yīng)變幅下CoCrNi 合金不同位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的晶粒取向IPF 圖

以上工作也可為理解具有低層錯(cuò)能的其他多主元合金及傳統(tǒng)合金（如奧氏體鋼）的變形機(jī)制提供參考。

該團(tuán)隊(duì)此前還研究了CoCrFeMnNi合金的低周疲勞變形機(jī)理，以及CoCrNi合金在室溫/550℃中高溫下的疲勞性能、機(jī)理，詳見(jiàn)以下文章：

[1]Deformation mechanisms of CoCrFeMnNi high-entropy alloy under low-cycle-fatigue loading, Acta Materialia, 2021, 215, 117089 ( https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117089)

[2]Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi, Scripta Materialia, 2021, 194, 113667（https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113667）

[3]Elevated-temperature cyclic deformation mechanisms of CoCrNi in comparison to CoCrFeMnNi, Scripta Materialia, 2022, 220, 114926（https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114926）