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《MRL》：高熵合金在循環加載下的有效應力和背應力演變！

2022-07-18 16:49:45 作者：材料基來源：材料基分享至：

工程結構和材料往往會受到循環載荷的作用，發生由疲勞失效引起的嚴重事故。因此，對材料循環變形機理的基本理解，對設計具有較高的抗疲勞性能的結構材料至關重要。近年來，一種基于多主元素的合金設計概念（高熵合金HEA），為研究者們探索具有更高力學性能的材料提供了廣闊的空間。當前，研究者們在理解高熵合金的低周疲勞（LCF）行為和微觀結構演變方面做了豐富的工作。例如，與傳統的FCC合金相比，面心立方（FCC）CoCrFeMnNi 模型高熵合金表現出相當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應力響應的起源和阻礙位錯運動的缺陷的類型的理解還有限。

廣泛認為，材料在加載下的總應力（flow stress）可以分為兩部分：有效應力（effective stress）和背應力（back stress）。對這些應力演變的深入認識，有助于描述材料在變形下的本構行為，如位錯的滑移行為。具體來說，有效應力是位錯克服短程障礙所需的應力，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構（dislocation substructure）等的長程阻力所需的應力，通常與Bauschinger效應有關。

通過不同的加載方式（如應變逐漸增加的拉伸-壓縮試驗、或等幅值應變的拉伸-壓縮疲勞試驗），研究者們已經對多種常規FCC合金材料的有效應力和背應力有了清晰的認識。以FCC 316鋼為例，在循環加載過程中，有效應力在其大部分疲勞壽命期間保持不變；而背應力主要決定了其循環應力反應。而對于高熵合金，僅有一項工作采用應變逐漸增加的拉伸-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，有效應力和背應力的演變會有不同，因此對于高熵合金在等幅值循環加載下的應力演變，仍有待探索。

因此，本工作開展了等幅值應變的拉伸-壓縮疲勞試驗，應用Cottrell方法對遲滯應力-應變曲線進行分析，獲得了CoCrFeMnNi高熵合金在循環加載下的有效應力和背應力的演變（包括循環次數、應變幅和材料晶粒大小的影響），并與該材料在循環加載下的微觀結構的變化進行了聯系。此外，還進一步將CoCrFeMnNi高熵合金與傳統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。相關工作以題為 “Effective and back stresses evolution upon cycling a high-entropy alloy”的研究論文發表在Materials Research Letters上。論文第一作者為卡爾斯魯厄理工學院Lu Kaiju。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2054667

研究結果表明，在所加載的三種應變幅（0.3%、 0.5%、0.7%）下，CoCrFeMnNi高熵合金的循環應力響應（即初始循環硬化、隨后的軟化和穩態）是由背應力的演變決定的，而這與微觀位錯結構的轉變有很好的關聯（即位錯結構由位錯堆積pile-ups，到低能量位錯墻wall和胞cell結構的變化）。

圖1.細晶（FG）CoCrFeMnNi在0.5%的應變幅下，峰值拉應力、有效應力和背應力隨循環次數的變化圖。插圖（a-c）分別是在20次、500次和壽命結束階段（分別代表循環硬化、軟化和接近穩定階段）的典型TEM顯微照片

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