導(dǎo)讀：與均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料相比，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出前所未有的性能。在目前的工作中，通過機(jī)械銑削（MM）和放電等離子燒結(jié)（SPS）工藝制備了一系列具有不同殼分?jǐn)?shù)的諧波結(jié)構(gòu)CoCrFeMnNi高熵合金（HEA ），殼層分?jǐn)?shù)在 20% 和 40% 之間的諧波結(jié)構(gòu) HEA 表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用和良好的低周疲勞抗性。LCF過程中，位錯(cuò)的發(fā)展和重排主要發(fā)生在粗晶區(qū)（核），而超細(xì)晶區(qū)（殼）表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。增強(qiáng)的應(yīng)變硬化導(dǎo)致諧波結(jié)構(gòu) HEA中高強(qiáng)度和高延展性的良好平衡。此外，增強(qiáng)的延展性也抑制了 LCF 失效。

高熵合金 (HEAs) 因其優(yōu)異的機(jī)械性能、優(yōu)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(guān)注 。CoCrFeMnNi HEA 具有面心立方 (FCC) 晶體結(jié)構(gòu)，在低溫下表現(xiàn)出良好的拉伸性能和斷裂韌性。然而，傳統(tǒng)的粗晶 (CG) CoCrFeMnNi HEAs 在室溫下的強(qiáng)度相對較低。因此，已經(jīng)提出了劇烈塑性變形 (SPD) 和熱機(jī)械工藝來生產(chǎn)具有高強(qiáng)度和高硬度的超細(xì)晶粒 (UFG) 或納米晶粒 (NG) HEA  。不可避免地，延展性隨著強(qiáng)度的增加而惡化。

如今，異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已被提出以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械性能，即高強(qiáng)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(jié)構(gòu) (GNS) 材料的機(jī)械性能和疲勞性能。宏觀應(yīng)變梯度會引起額外的應(yīng)變硬化，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)的 LCF 疲勞抗力歸因于受限的應(yīng)變局部化和損傷累積。在異質(zhì)層狀 (HL) 材料中也實(shí)現(xiàn)了卓越的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用。分層結(jié)構(gòu)可以釋放應(yīng)變局部化，從而提高 HCF 抗性。此外，諧波結(jié)構(gòu)是典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)之一，其中CG結(jié)構(gòu)（核）嵌入由三維UFG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（殼）組成的基體中。與傳統(tǒng)的CG和UFG分布不規(guī)則的雙峰結(jié)構(gòu)相比，諧波結(jié)構(gòu)在宏觀上具有規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)UFG結(jié)構(gòu)。

天津大學(xué)張喆教授團(tuán)隊(duì)通過機(jī)械研磨和SPS工藝制備了一系列具有不同殼分?jǐn)?shù)的諧波結(jié)構(gòu)CoCrFeMnNi HEA 。由于增強(qiáng)的應(yīng)變硬化，殼分?jǐn)?shù)在 20% 到 40% 之間的諧波結(jié)構(gòu) HEA 表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高延展性和良好LCF。LCF過程中局部塑性變形主要發(fā)生在相對較軟的核心區(qū)域，這促進(jìn)了位錯(cuò)的產(chǎn)生和重排，導(dǎo)致初始循環(huán)硬化和隨后的循環(huán)軟化。同時(shí)，殼區(qū)表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，增強(qiáng)的延展性和穩(wěn)定的能量分散保持了 LCF 阻力。總體而言，諧波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在 CoCrFeMnNi HEA 中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-延展性和抗 LCF 的優(yōu)異協(xié)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?jǐn)?shù)的諧波結(jié)構(gòu)CoCrFeMnNi HEA的拉伸性能。諧波結(jié)構(gòu) CoCrFeMnNi HEA 的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 1（k）所示。此外，機(jī)械性能對殼分?jǐn)?shù)的依賴性總結(jié)在圖 S4 中。正如預(yù)期的那樣，強(qiáng)度隨著殼分?jǐn)?shù)的增加而顯著增加。圖 2顯示了在相同應(yīng)變幅（Δ ε /2 = 0.5%）下殼分?jǐn)?shù)對LCF性能的影響。具有不同殼分?jǐn)?shù)的樣品的典型循環(huán)響應(yīng)如圖2所示（一種）。值得注意的是，CG 和諧波結(jié)構(gòu)樣品在最初的 10 個(gè)循環(huán)中都表現(xiàn)出初始循環(huán)硬化，并且進(jìn)一步的循環(huán)加載會產(chǎn)生連續(xù)的循環(huán)軟化。在疲勞失效之前沒有出現(xiàn)明顯的二次循環(huán)硬化。為了揭示諧波結(jié)構(gòu) CoCrFeMnNi HEA的循環(huán)變形機(jī)制，通過 TEM 研究了 CG 樣品和殼分?jǐn)?shù)為 38.2% 的諧波結(jié)構(gòu)樣品的微觀結(jié)構(gòu)演變。圖 3顯示了LCF過程中晶粒結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)的形態(tài)。圖 3 (ac) 分別顯示了 CG 樣品在疲勞前、疲勞 10 次循環(huán)和大約N f /2 次循環(huán)時(shí)位錯(cuò)的演變。一些位錯(cuò)保留在燒結(jié)的 CG 樣品中。位錯(cuò)在初始階段迅速發(fā)展，導(dǎo)致初始循環(huán)硬化（見圖3(b))。

圖 1。燒結(jié)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(yīng)力-應(yīng)變曲線；(l)應(yīng)變硬化率的變化。CG - 粗粒度樣品，HS - 諧波結(jié)構(gòu)樣品，d核/ d殼- 平均核和殼區(qū)域的晶粒尺寸，S f - 殼區(qū)域的分?jǐn)?shù)。

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

圖 3。（ac）CG樣品，（df）核心區(qū)域和（gi）諧波結(jié)構(gòu)樣品（S f  = 38.2％）循環(huán)變形前后的微觀結(jié)構(gòu)演變。

諧波結(jié)構(gòu) CoCrFeMnNi HEAs的LCF失效機(jī)理如圖 4所示。可以觀察到，在LCF過程中，CG樣品表面會出現(xiàn)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(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和裂紋萌生。相比之下，圖 4(ce) 顯示了殼分?jǐn)?shù)為 46.8% 的諧波結(jié)構(gòu)樣品中典型的疲勞裂紋萌生，其中核/殼邊界由白點(diǎn)線表示。

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