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《Nature Commun》：利用可塑性變形析出相提升高熵合金疲勞壽命！

2021-06-28 10:49:57 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

工程結構中經常發生由于疲勞失效而引起的災難性事故。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。

在此，來自美國橡樹嶺國家實驗室的Ke An&美國諾克斯維爾大學的Peter. K. Liaw等研究者，報道了一種通過可塑性變形多組分B2析出相得到的具有增強疲勞壽命的高熵合金。相關論文以題為“Enhancing fatigue life by ductile-transformable multicomponent B2 precipitates in a high-entropy alloy”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

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

據統計，近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所引起的。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強度，常用的方法之一是通過引入金屬間析出相硬化，來提高材料的疲勞強度。然而，引入額外的相界面總是伴隨著降低疲勞裂紋萌生阻力的有害副作用。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。

近年來，一種新的合金設計概念——高熵合金（HEAs），在提高材料力學性能方面顯示出了巨大的潛力。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）和可調諧堆垛層錯能（SFE）等，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相，與脆性金屬間化合物不同，其可以在不犧牲太多塑性的情況下提高強度。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。

在以上思路的啟發下，研究者設計了一種多組分B2析出相強化HEA，來改善結構材料的疲勞性能。研究者發現，在~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。研究者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，揭示了其底層機制。在高熵合金中觀察到位錯滑移、析出強化、變形孿晶和可逆馬氏體相變等多種循環變形機制。研究表明，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。結果表明，將可變形的多組分金屬間析出相結合，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。