导读：工程结构中经常发生由疲劳失效引起的严重事故。因此，对循环变形和疲劳失效机制的基本理解对抗疲劳结构材料的发展至关重要。本文报道了一种高熵合金的疲劳寿命增强韧性方法。在高熵合金中观察到位错滑移、沉淀强化、变形孪晶和可逆马氏体相变等多种循环变形机制。其在低应变幅下的疲劳性能的改善，即高的疲劳裂纹萌生抗力，归因于B2强化相的高弹性、塑性变形能力和马氏体相变。这一研究表明，通过结合强化可变形多组分金属间化合物可以发展出抗疲劳合金。

几乎90%的机械失效是由远低于材料的极限强度或屈服强度的循环应力下的疲劳引起的。因此，结构材料的疲劳寿命是评价其在实际工程环境中是否可靠使用的关键标准。为了提高材料的疲劳耐久性，常用的方法之一是通过引入金属间化合物进行硬化来提高材料的疲劳强度。然而，在这种传统合金设计方法中，由于引入额外的相界面而带来的有害副作用是降低疲劳裂纹萌生阻力。当材料反复经历低塑性变形，即低塑性应变振幅时，如结构构件不断受到冲击时，这种趋势尤为明显。因此，传统的合金设计策略面临着同时提高疲劳强度和抗疲劳裂纹萌生能力的困境。最近，一种新的合金设计概念，称为高熵合金（HEAs），显示了提高材料力学性能的巨大潜力。HEAs中的不同特性，如严重的晶格畸变、多组分析出相、短程有序（SRO）和可调的堆积故障能（SFE），可以用来改善材料的疲劳性能。特别是，最近在HEAs中观察到的非典型多组分金属间化合物相，与脆性金属间化合物不同，可以提高强度而不牺牲太多的延性。这种有趣的特性被认为会显著影响力学行为，包括尚未报道的循环塑性变形行为。

在此思路的启发下，美国橡树岭国家实验室Ke An和美国田纳西州诺克斯维尔大学Peter. K. Liaw等人设计了一种多组分B2析出相强化HEA来改善结构材料的疲劳性能。研究发现，在约0.03%的低塑性应变幅下，通过加入韧性可转变的多组分B2相，设计合金的疲劳寿命至少是其他常规合金的4倍，表现出更强的抗疲劳裂纹萌生能力。通过使用最新的实时原位中子衍射和先进的电子显微镜，以及晶体塑性建模和蒙特卡罗（MC）模拟，揭示了底层机制。结果表明，将可变形的多组分金属间化合物相结合并提供多种有益的循环变形机制的设计思想，为设计先进的抗疲劳合金提供了新的方向。相关研究成果以题“Enhancing fatigue life by ductile-transformable multicomponent B2 precipitates in a high-entropy alloy”发表在Nature communications上。

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

研究表明，在单调加载和循环加载过程中，多组分B2相不仅能强化FCC软基体，还能协调整体塑性变形。此外，沉淀强化HEA在循环加载过程中也会诱发变形孪晶，这在RT单调变形时通常很难看到，为提高疲劳寿命提供了额外的强化。我们的工作为理解多组分B2沉淀强化HEA的循环变形机制提供了一个完整的图像，并通过引入可变形的多组分金属间化合物沉淀来指导抗疲劳合金的设计，这些沉淀可以通过调整HEAs的成分和热处理很容易实现。

图1 所研究的HEA的相和微观结构信息。a 对Al0.5CoCrFeNi合金进行了HEXRD分析，发现存在FCC相和B2相（FCC相和B2相的衍射峰分别为F-hkl和B-hkl）。b 研究合金的背散射电子（BSE）图像，显示了B2相的三种不同形貌。c, d EBSD相图和相应的晶粒方向图像。e FCC相和B2相沿FCC[011]和B2[001]方向的SAED谱，表明了FCC基体与B2相之间的K-S晶体学关系。f 由EDS测定的FCC相和B2相的化学组成。误差是根据EDS计数统计来确定的。

图2 Al0.5CoCrFeNi合金的拉伸和LCF结果。a RT下Al0.5CoCrFeNi合金的单轴拉伸曲线（附图显示其加工硬化率与真应变的关系）。b 不同应变幅下Al0.5CoCrFeNi HEA的循环应力响应（CSR）曲线。c Al0.5CoCrFeNi HEA在应变振幅±1%时选定的循环次数下的迟滞回路。d 总应变幅值、弹性应变幅值和塑性应变幅值与失效逆转次数（2Nf）的关系，显示出Coffin-Manson双线性关系，表明循环变形模式的变化（卡通图）。e 对现有合金和其他常规合金的Coffin-Manson疲劳数据进行比较，表明与其他常规合金（空心圆符号和实心圆符号分别代表单相和沉淀强化合金）相比，所研究的HEA在低应变振幅下具有更好的LCF性能。

图3 实时原位中子衍射结果。a 晶格应变是单轴拉伸过程中外加应力的函数。b 拉伸过程中FWHM作为横向应力的函数的演化[附图为二维（2D）等高线图，显示B2-{110} 间距的演化]，表明存在马氏体相变。c FCC-{111}和B2-{110}在加载方向第1、2、5次循环时的晶格应变演化。d 第50个循环时B2-[110]半宽与纵向和横向施加应力的关系，应变幅为±1.75%。e 应变幅分别为±0.5%、±1%和±1.75%时，FWHMG/d随循环次数的变化。f 应变幅为±1.75%时，不同疲劳周期下，沿纵向和横向的原位中子衍射峰强演化。从hkl衍射峰的单峰拟合的不确定性出发，得到了所有图中的误差棒。

图4 TEM和SEM表征了不同应变幅下的结构演变。a, b; c, d; e, f ;g, h分别为±0.25%、±0.5%、±1%、±1.75%应变幅下的透射电镜明场（BF）图像，显示了变形特征循环响应的结构演变（图5a插入图）为暗场（DF）图像，呈现塑性变形B2相。i-l分别为±0.25%、±1.25%和±1.75%应变幅下的断裂试样的SEM图像，表现出低应变幅和高应变幅下的裂缝形成特征。

多组分B2相的韧性转变特性对增强疲劳裂纹萌生抗力起着至关重要的作用，从而提高低应变幅下的疲劳寿命。一旦萌生微裂纹，位错的湮没速率加快，导致循环软化，缩短疲劳寿命。另一个循环软化源可能与HEA中的SRO或不高的SFE （~49 mJ/ m2）有关，导致滑移平面化并导致应变局部化。在该合金中，Al-Ni和Cr-Fe可能是FCC基体中的SRO对，这可以从FCC相中Al-Ni和Cr-Fe键的大量增加看出（图5b）。一旦SRO被主导位错破坏，接下来的位错面临更低的滑移阻力，有助于循环软化。

图5 MC模拟结果。a,b MC模拟后，BCC相和FCC相的第一个最近邻键合环境分别发生了变化。这种变化与初始配置中的键数有关。MC模拟前后析出相的c-f结构。c 初始BCC结构。d最终有序正交晶结构（a=3.014 ?， b=2.902 ?， c=2.571 ?）。e MC前俯视图f MC后俯视图g最终B2相的广义SFE分布。h 不同构型B2相的APB能量比较。虚线表示纯NiAl B2的层错能。

研究结果表明，在低应变幅下，通过加入多组分韧性和可变形金属间化合物强化合金，可以提高疲劳寿命，优于其他传统的金属间化合物强化合金，同时在高应变幅下保持相当的疲劳寿命。由于应力的作用，细小的可塑性变形B2相有效地抑制了微裂纹的萌生塑性变形和马氏体相变过程中的松弛和应变分配（图6b），有利于缓解B2相和FCC相之间变形不相容引起的损伤循环积累。多组分B2相具有较低的APB能量和较强的局域晶格畸变，使其易于转变为正交晶结构。通过提供另一种变形途径，这种转变可以减轻对传统金属间化合物中通常难以满足的五个独立位错滑移系统的需求。因此，尽管B2相的尺寸很大（可达~5 μm），但仍能发生塑性变形，而传统的金属间化合物在如此大的尺寸下不能承受太多的塑性。当然，一旦B2的尺寸过大，如带状B2相，由于非共格界面较长，很容易引发微裂纹（图6b和补充图12）。

图6 所研究的HEA中的循环变形机制和微裂纹萌生行为示意图。Al0.5CoCrFeNi在不同应变幅下的主导循环变形机制综述。b循环加载过程中的微裂纹形成机制示意图。