當前，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注。其中，相比大多數FCC多主元合金，具有低堆垛層錯能（SFE）的CoCrNi基合金顯現了優異的強塑性、疲勞和裂紋擴展損傷性能。盡管CoCrNi基多主元合金的強度-延展性能及變形機理已廣為人知，但它們在循環載荷下的性能以及基本的疲勞變形機制如何，仍是未被完全理解的科學問題。回答這些問題對于它們潛在的工程應用至關重要，這是因為，約80%的工程裝備機械故障是由疲勞破壞引起的。

因此，來自德國卡爾斯魯厄理工學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能的CoCrNi多主元合金在室溫下的疲勞變形機制，重點分析了循環加載下的位錯運動及結構形成原因。相關成果以題為‘Cooperative deformation mechanisms in a fatigued CoCrNi multi-principal element alloy: A case of low stacking fault energy’的論文發表在力學頂刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。

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

首先，通過對比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，發現該CoCrNi合金在Manson-Coffin曲線及Wohler曲線中均顯示了較為優異的疲勞性能。

Fig. 1. (A) Manson-Coffin、(B) Wohler 曲線對比：CoCrNi 合金與其他多主元合計及傳統奧氏體鋼

接著，利用TEM深入揭示了CoCrNi多主元合金在0.3%、0.5%、0.7%應變幅下的疲勞變形機理，發現該CoCrNi合金呈現兩種主要的位錯構型：即滑移帶、位錯墻/胞結構，而這兩種位錯構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% 晶粒中占主導地位），如圖2。

Fig. 2. CoCrNi合金在 0.3% 應變幅下測試直至斷裂的 BF-TEM 顯微照片。這里，典型的位錯結構是滑移帶：(A-C) 主滑移帶，(D-F) 雙滑移帶。

隨著循環應變幅增大至0.5%和0.7%，除了平面滑移帶之外，由于位錯交滑移和多滑移體系的激活，還形成了位錯墻/胞結構（如圖3）。定量地，在 0.5% 和 0.7% 的應變振幅下，分別在≈33% 和 60% 晶粒中發現了位錯墻/胞結構，其余晶粒呈現平面滑移帶結構。

更有意思的是，在位錯墻/胞之間的位錯通道內，不僅觀察到了通常認為的螺位錯，而且發現了不全位錯和層錯，它們通過平面滑移的方式在位錯墻/胞之間運動。因此，在CoCrNi合金中，盡管存在位錯墻/胞等代表著嚴重局部變形的位錯結構，位錯通道內的不全位錯和層錯平面滑移行為，在循環加載下仍可承載“更可逆”的塑性應變，從而延遲疲勞裂紋的萌生和擴展。因此，這一行為，很好的解釋了具有低層錯能的CoCrNi合金優異的疲勞和耐損傷性能。

Fig. 3. CoCrNi合金在 0.7% 應變幅下直至斷裂測試的 TEM 顯微照片。這里，典型的位錯結構包括（A-C）滑移帶（SB）、堆垛層錯（SF）和（D-E）位錯墻/胞

進一步，對位錯密度及位錯類型的估算與分析，發現：隨著應變幅的增加，總位錯密度的顯著增加來自于統計存儲位錯（statistically stored dislocations，SSDs）的增加，而幾何必須位錯密度（geometrically necessary dislocations，GNDs）的增加幅度相對不顯著（圖4）。因此對比位錯結構隨著應變幅的變化，推斷：位錯墻/胞結構可能在疲勞變形中發揮統計存儲位錯的作用，而位錯滑移帶可能作為幾何必須位錯。

Fig. 4. 在不同應變幅下CoCrNi 合金的總位錯密度、GND-密度和 SSD-密度

此外，對不同晶粒取向的位錯結構統計發現，不同位錯結構（滑移帶、位錯墻/胞結構）的形成與晶粒取向的關系不大，進一步分析認為，相鄰晶粒的約束和Copley-Kear效應更有可能決定了這些位錯結構的形成。其中，Copley-Kear效應能夠很好地解釋CoCrNi中全位錯和不全位錯的共存（或交滑移和平面滑移共存）。具體來說，對于低層錯能的合金材料，由于加載方向（即拉伸或壓縮）的不同，不全位錯的分離距離也不同，分別表現出全位錯或不全位錯滑移特征。

Fig. 5. 在 (A) 0.3% 和 (B) 0.7% 應變幅下CoCrNi 合金不同位錯結構的晶粒取向IPF 圖

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

該團隊此前還研究了CoCrFeMnNi合金的低周疲勞變形機理，以及CoCrNi合金在室溫/550℃中高溫下的疲勞性能、機理，詳見以下文章：

[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）