高熵合金（HEA）具有出色的強度-延展性組合，優異的斷裂韌性和熱穩定性，在從低溫到高溫的各種溫度下，均有一定潛在的應用前景，進而引起了廣泛的關注。對於HEA的實際使用，耐疲勞性是關鍵問題之一。然而，在HEA研究中，關於變幅載荷作用下HEAs的疲勞裂紋生長行為的研究鮮有報導。因此，闡明金屬合金中超載導致裂紋閉合和尖端塑性的主要機制，研究超載對HEAs的影響是十分重要的。
中國臺灣交通大學等單位的研究人員研究了拉伸過載對宏觀疲勞的影響。通過透射電鏡和有限元分析探討了單fcc CoCrFeMnNi HEAs的裂紋擴展性能、殘餘應變/應力分布、疲勞裂紋尖端附近的塑性區大小以及相應的潛在機制。相關論文以題為「Enhancement of fatigue resistance by overload-induced deformation twinning in a CoCrFeMnNi high-entropy alloy」發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.016
本研究使用的是真空感應熔煉（VIM）CoCrFeMnNi合金（等摩爾）。製備了寬度50.8mm，厚度6.35mm的CoCrFeMnNi的CT樣品。在疲勞裂紋擴展實驗之前，將CT樣品預裂紋至初始裂紋長度為1.27 mm。進行疲勞（穩態）和拉伸超載兩種疲勞測試。
研究發現鑄態的CoCrFeMnNi在初始狀態和塑性變形後均保持單相fcc結構，具有粗大晶粒（500-3000μm）和樹枝狀組織的微觀結構特徵。鑄態組織中抗疲勞性的提高可歸因於斷裂表面粗糙度的增加。鑄態CoCrFeMnNi試樣在兩種不同的疲勞試驗中仍保持單相fcc結構。可以認為恆定振幅和可變振幅的循環載荷不會在鑄態CoCrFeMnNi HEA中引起相變。拉伸過載時由於在裂紋尖端附近激活孿晶的臨界分切應力超過235 MPa，CoCrFeMnNi合金中的孿晶組織也會引起加工硬化，從而提高了的抗疲勞性。
圖1 疲勞和過載的CoCrFeMnNi樣品的裂紋擴展速率與應力強度因子範圍
圖2 （a）疲勞狀態下宏觀斷口表面的SEM顯微照片；（b-e）是（a）中相應正方形的放大圖像
圖3 （a）拉伸過載疲勞條件下宏觀斷口表面的SEM顯微照片；（b-f）是（a）中相應正方形的放大圖像
圖4 室溫下（a）疲勞和（b）過載的CoCrFeMnNi HEA中裂紋尖端附近的HRTEM圖像與相應的SAED模式以及區域軸為[011]
圖5 (a)在裂縫長度為16mm處，卸載後裂紋尖端周圍-5~5mm的主應力和剪切應力分布示意圖；(b)擴大網格細化區域；(c)疲勞試樣和(d)過載試樣的主應力分布等值線圖；(e)疲勞試樣和(f)過載試樣的剪切應力分布等值線圖。
裂紋尖端塑性區內以位錯滑移為主的微結構和壓應力分布是疲勞裂紋擴展的主要影響因素。另一方面，擴展塑性區的孿晶裂紋行為，加上裂紋尖端前的超載引起的大塑性和裂紋尖端的鈍化，引起單相fcc CoCrFeMnNi拉伸過載後的裂紋生長阻滯機制。這樣的綜合效應表明疲勞裂紋擴展的耐疲勞特性。本研究結果可用於抗疲勞HEAs的設計，也可用於疲勞模型的建立和模擬，進而促進HEAs的應用。（文：破風）
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