{首页主词},&

《Nature》子刊：重大突破！這個方法使高熵合金抗疲勞壽命提高4倍以上！

2021-06-15 13:37:07 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：工程結構中經常發生由疲勞失效引起的嚴重事故。因此，對循環變形和疲勞失效機制的基本理解對抗疲勞結構材料的發展至關重要。本文報道了一種高熵合金的疲勞壽命增強韌性方法。在高熵合金中觀察到位錯滑移、沉淀強化、變形孿晶和可逆馬氏體相變等多種循環變形機制。其在低應變幅下的疲勞性能的改善，即高的疲勞裂紋萌生抗力，歸因于B2強化相的高彈性、塑性變形能力和馬氏體相變。這一研究表明，通過結合強化可變形多組分金屬間化合物可以發展出抗疲勞合金。

幾乎90%的機械失效是由遠低于材料的極限強度或屈服強度的循環應力下的疲勞引起的。因此，結構材料的疲勞壽命是評價其在實際工程環境中是否可靠使用的關鍵標準。為了提高材料的疲勞耐久性，常用的方法之一是通過引入金屬間化合物進行硬化來提高材料的疲勞強度。然而，在這種傳統合金設計方法中，由于引入額外的相界面而帶來的有害副作用是降低疲勞裂紋萌生阻力。當材料反復經歷低塑性變形，即低塑性應變振幅時，如結構構件不斷受到沖擊時，這種趨勢尤為明顯。因此，傳統的合金設計策略面臨著同時提高疲勞強度和抗疲勞裂紋萌生能力的困境。最近，一種新的合金設計概念，稱為高熵合金（HEAs），顯示了提高材料力學性能的巨大潛力。HEAs中的不同特性，如嚴重的晶格畸變、多組分析出相、短程有序（SRO）和可調的堆積故障能（SFE），可以用來改善材料的疲勞性能。特別是，最近在HEAs中觀察到的非典型多組分金屬間化合物相，與脆性金屬間化合物不同，可以提高強度而不犧牲太多的延性。這種有趣的特性被認為會顯著影響力學行為，包括尚未報道的循環塑性變形行為。

在此思路的啟發下，美國橡樹嶺國家實驗室Ke An和美國田納西州諾克斯維爾大學Peter. K. Liaw等人設計了一種多組分B2析出相強化HEA來改善結構材料的疲勞性能。研究發現，在約0.03%的低塑性應變幅下，通過加入韌性可轉變的多組分B2相，設計合金的疲勞壽命至少是其他常規合金的4倍，表現出更強的抗疲勞裂紋萌生能力。通過使用最新的實時原位中子衍射和先進的電子顯微鏡，以及晶體塑性建模和蒙特卡羅（MC）模擬，揭示了底層機制。結果表明，將可變形的多組分金屬間化合物相結合并提供多種有益的循環變形機制的設計思想，為設計先進的抗疲勞合金提供了新的方向。相關研究成果以題“Enhancing fatigue life by ductile-transformable multicomponent B2 precipitates in a high-entropy alloy”發表在Nature communications上。

鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-23689-6

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

研究表明，在單調加載和循環加載過程中，多組分B2相不僅能強化FCC軟基體，還能協調整體塑性變形。此外，沉淀強化HEA在循環加載過程中也會誘發變形孿晶，這在RT單調變形時通常很難看到，為提高疲勞壽命提供了額外的強化。我們的工作為理解多組分B2沉淀強化HEA的循環變形機制提供了一個完整的圖像，并通過引入可變形的多組分金屬間化合物沉淀來指導抗疲勞合金的設計，這些沉淀可以通過調整HEAs的成分和熱處理很容易實現。

圖1 所研究的HEA的相和微觀結構信息。a 對Al0.5CoCrFeNi合金進行了HEXRD分析，發現存在FCC相和B2相（FCC相和B2相的衍射峰分別為F-hkl和B-hkl）。b 研究合金的背散射電子（BSE）圖像，顯示了B2相的三種不同形貌。c, d EBSD相圖和相應的晶粒方向圖像。e FCC相和B2相沿FCC[011]和B2[001]方向的SAED譜，表明了FCC基體與B2相之間的K-S晶體學關系。f 由EDS測定的FCC相和B2相的化學組成。誤差是根據EDS計數統計來確定的。

圖2 Al0.5CoCrFeNi合金的拉伸和LCF結果。a RT下Al0.5CoCrFeNi合金的單軸拉伸曲線（附圖顯示其加工硬化率與真應變的關系）。b 不同應變幅下Al0.5CoCrFeNi HEA的循環應力響應（CSR）曲線。c Al0.5CoCrFeNi HEA在應變振幅±1%時選定的循環次數下的遲滯回路。d 總應變幅值、彈性應變幅值和塑性應變幅值與失效逆轉次數（2Nf）的關系，顯示出Coffin-Manson雙線性關系，表明循環變形模式的變化（卡通圖）。e 對現有合金和其他常規合金的Coffin-Manson疲勞數據進行比較，表明與其他常規合金（空心圓符號和實心圓符號分別代表單相和沉淀強化合金）相比，所研究的HEA在低應變振幅下具有更好的LCF性能。

圖3 實時原位中子衍射結果。a 晶格應變是單軸拉伸過程中外加應力的函數。b 拉伸過程中FWHM作為橫向應力的函數的演化[附圖為二維（2D）等高線圖，顯示B2-{110} 間距的演化]，表明存在馬氏體相變。c FCC-{111}和B2-{110}在加載方向第1、2、5次循環時的晶格應變演化。d 第50個循環時B2-[110]半寬與縱向和橫向施加應力的關系，應變幅為±1.75%。e 應變幅分別為±0.5%、±1%和±1.75%時，FWHMG/d隨循環次數的變化。f 應變幅為±1.75%時，不同疲勞周期下，沿縱向和橫向的原位中子衍射峰強演化。從hkl衍射峰的單峰擬合的不確定性出發，得到了所有圖中的誤差棒。

圖4 TEM和SEM表征了不同應變幅下的結構演變。a, b; c, d; e, f ;g, h分別為±0.25%、±0.5%、±1%、±1.75%應變幅下的透射電鏡明場（BF）圖像，顯示了變形特征循環響應的結構演變（圖5a插入圖）為暗場（DF）圖像，呈現塑性變形B2相。i-l分別為±0.25%、±1.25%和±1.75%應變幅下的斷裂試樣的SEM圖像，表現出低應變幅和高應變幅下的裂縫形成特征。

多組分B2相的韌性轉變特性對增強疲勞裂紋萌生抗力起著至關重要的作用，從而提高低應變幅下的疲勞壽命。一旦萌生微裂紋，位錯的湮沒速率加快，導致循環軟化，縮短疲勞壽命。另一個循環軟化源可能與HEA中的SRO或不高的SFE （~49 mJ/ m2）有關，導致滑移平面化并導致應變局部化。在該合金中，Al-Ni和Cr-Fe可能是FCC基體中的SRO對，這可以從FCC相中Al-Ni和Cr-Fe鍵的大量增加看出（圖5b）。一旦SRO被主導位錯破壞，接下來的位錯面臨更低的滑移阻力，有助于循環軟化。

圖5 MC模擬結果。a,b MC模擬后，BCC相和FCC相的第一個最近鄰鍵合環境分別發生了變化。這種變化與初始配置中的鍵數有關。MC模擬前后析出相的c-f結構。c 初始BCC結構。d最終有序正交晶結構（a=3.014 ?， b=2.902 ?， c=2.571 ?）。e MC前俯視圖f MC后俯視圖g最終B2相的廣義SFE分布。h 不同構型B2相的APB能量比較。虛線表示純NiAl B2的層錯能。

研究結果表明，在低應變幅下，通過加入多組分韌性和可變形金屬間化合物強化合金，可以提高疲勞壽命，優于其他傳統的金屬間化合物強化合金，同時在高應變幅下保持相當的疲勞壽命。由于應力的作用，細小的可塑性變形B2相有效地抑制了微裂紋的萌生塑性變形和馬氏體相變過程中的松弛和應變分配（圖6b），有利于緩解B2相和FCC相之間變形不相容引起的損傷循環積累。多組分B2相具有較低的APB能量和較強的局域晶格畸變，使其易于轉變為正交晶結構。通過提供另一種變形途徑，這種轉變可以減輕對傳統金屬間化合物中通常難以滿足的五個獨立位錯滑移系統的需求。因此，盡管B2相的尺寸很大（可達~5 μm），但仍能發生塑性變形，而傳統的金屬間化合物在如此大的尺寸下不能承受太多的塑性。當然，一旦B2的尺寸過大，如帶狀B2相，由于非共格界面較長，很容易引發微裂紋（圖6b和補充圖12）。