新加坡研究团队：揭示蠕变损伤对难熔高熵合金高温疲劳行为影响机理

2025-10-27 15:17:01 作者：徐龙,伍诗伟,郭子绪,徐轶伦来源：材料科学技术分享至：

第一作者：徐龙

通讯作者：郭子绪伍诗伟徐轶伦

通讯单位：新加坡国立大学 / 新加坡科技局

DOI: 10.1016/j.jmst.2025.02.007

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本研究系统研究了HfNbTiZr难熔高熵合金从室温至600 °C下的低周疲劳行为，结合实验与位错-损伤耦合晶体塑性有限元模拟揭示了蠕变损伤对疲劳性能的影响。结果表明，随温度升高，疲劳寿命显著降低，损伤机制由低温下的晶内疲劳转变为高温下晶间疲劳与蠕变耦合损伤。蠕变损伤在600 °C时促进晶界处几何必要位错（GND）累积与应变局部化，同时贡献总的疲劳-蠕变损伤—即总储能密度（SED）达11%，从而导致高温裂纹裂纹萌生与扩展加速。

研究背景

难熔高熵合金（RHEAs）因其独特的微观结构和优异的高温力学性能而受到广泛关注，具有高熔点、高温强度及优异的热稳定性，显示出替代镍基高温合金的潜力。尽管已有研究揭示了其在拉伸和塑性等准静态性能方面的优势，但关于其疲劳性能的研究仍较有限，尤其是高温下的疲劳行为与损伤机制尚不清晰。这一研究空白严重制约了RHEAs在航空发动机中高温结构(涡轮叶片、涡轮盘)上的实际应用。

本文亮点

本文系统研究了难熔高熵合金在高温下的对称拉压低周疲劳行为，揭示其温度敏感的疲劳损伤机制演化规律。结果显示，疲劳损伤机制由低温下的晶内损伤向高温下的晶间疲劳与蠕变耦合损伤转变。通过建立基于位错-损伤耦合的晶体塑性有限元模型，定量揭示了蠕变损伤对疲劳行为的影响及高温循环载荷下几何必要位错（GND）与储能损伤(SED)的演化特征。

图文解析

低周疲劳测试结果表明（图1），温度显著影响RHEA的变形机制与能量耗散。在室温下，位错滑移主导变形，但有限的位错相互作用导致应变软化和滞回环面积逐渐减小。升温至350–450 °C时，热激活机制增强了循环初期的应变硬化，使滞回环面积减小；而在600 °C，循环中期塑性变形占主导，滞回环面积增加，反映蠕变与疲劳双重损伤的显著作用。同时，弹性模量随温度升高逐渐下降，350–600 °C下降最为明显，源于位错结构重排及早期微损伤累积，这揭示了高温下弹性与塑性变形及疲劳-蠕变损伤之间的复杂耦合关系。

图1 不同温度下低周疲劳测试的变化：(a) 滞回环面积随归一化疲劳寿命Ni/Nf的变化；(b) 塑性应变占总应变的百分比随Ni/Nf的变化；(c) 加载与卸载弹性模量随Ni/Nf的变化。

为了突出蠕变损伤的影响，选择600°C下开展模拟，用于揭示晶粒内应力、应变、蠕变损伤及储能损伤SED分布（图2）。结果表明，初始循环中应变集中于高Schmid因子晶粒，随着循环增加，应变趋于均匀分布，局部应力先增大后减小，反映高温疲劳中的循环硬化-软化行为。蠕变损伤在中后期累积，降低局部刚度与滑移阻力，导致循环软化并使应力分布更均匀，同时SED随循环数增加，反映疲劳与蠕变能量耗散的逐步积累。

图2 600°C下不同循环次数的CPFE模拟结果，包括应变、应力、蠕变损伤及储能密度（SED）分布。(a) 拉伸方向法向应变；(b) 蠕变损伤演化；(c) 拉伸方向法向应力；(d) SED演化。所有结果均取疲劳峰值载荷下的状态。

通过对比有/无蠕变损伤的CPFE模拟结果（图3），定量揭示了蠕变损伤对HfNbTiZr合金低周疲劳行为的影响。结果表明，蠕变损伤在450–600 °C显著增强应变与SED的局域化程度，引起循环软化和弹性模量降低；其中在600 °C时，蠕变损伤对总SED的贡献达11%，在450 °C时为5.3%。这表明蠕变损伤自约450 °C起对疲劳行为产生显著影响，并在高温下主导循环软化行为。

图3 对比有/无蠕变损伤的CPFE模拟结果。(a, b) 展示在600 °C下有/无蠕变损伤时的应变、应力、储能密度（SED）及蠕变损伤分布；(c) 对比蠕变损伤对450 °C和600 °C滞回环的影响；(d) 展示蠕变损伤对450 °C和600 °C下最大SED演化的影响；(e) 显示600 °C下加载边界处循环最大与最小应力受蠕变损伤的影响。

此外，基于位错-损伤耦合的晶体塑性有限元模型，图4展示了蠕变损伤对最大GND演化的影响。如图4(a)所示，E与F分别对应循环加载中上升与下降半周的卸载状态。CPFE模拟表明，蠕变损伤会在上升半周降低最大GND，而在下降半周则使其增大（见图4b、c），这主要源于蠕变损伤引起的局部软化，改变了应变梯度及对应的GND分布。换言之，蠕变损伤可削弱每个疲劳循环内GND密度的变化幅值。

图4 蠕变损伤对GND演化的影响。(a) 对比有无蠕变损伤时最大GND密度的演化规律；(b, c) 对比(a)中E与F时刻下两种情况下的GND分布形貌。

总结与展望

本研究系统揭示了HfNbTiZr难熔高熵合金在25–600 °C下的低周疲劳行为及蠕变-疲劳耦合机制。结果表明，疲劳损伤由25 °C下的晶内主导转变为600 °C下以晶间蠕变损伤为主，疲劳寿命随温度升高显著降低。CPFE模拟定量显示，蠕变损伤在600 °C时对总储能密度（SED）的贡献达11%，并导致显著的循环软化与应变局域化，同时改变几何必要位错（GND）的周期性演化特征。

本研究所开发的位错-损伤耦合晶体塑性模型，不仅可精确描述RHEAs的高温疲劳行为，还具备推广至其他金属材料体系的潜力，为基于微观组织优化的材料性能设计与调控提供了高保真数值模拟工具支撑。

作者介绍

郭子绪：

新加坡国立大学Research Fellow。主要从事微尺度力学、金属增材制造、高温结构疲劳相关研究，以一作/通讯身份在 Acta Mater.， J. Mater. Sci. Technol.， J. Mech. Phys. Solids， Int. J. Plast. (5篇) 上发表研究论文。获中国航空学会优秀博士论文、航空中国心教育基金、美国NIST AM Bench 增材制造模拟挑战赛一等奖等荣誉。

伍诗伟：

中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员。主持中国科学院人才引进计划青年项目、重庆市人才引进计划项目，以第一作者或通讯作者在Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Mater. Res. Lett.、Scr. Mater.等期刊发表论文9篇；获期刊优秀论文奖2次；Google学术累计他引2200余次，单篇最高520余次。

徐轶伦：

新加坡科技研究局资深研究员，聚焦合金材料在多物理场下的变形机理、损伤机制和寿命预测。主持和参与了包括欧盟玛丽居里基金、英国工程与自然科学研究理事会和罗-罗等机构和资助等多项科研项目。以一作/通讯身份在Nat. Commu., Acta Mater.， J. Mater. Sci. Technol.， J. Mech. Phys. Solids上发表论文共40余篇。

徐龙：

江苏科技大学讲师、硕士生导师，毕业于上海大学，师从王刚教授。主要研究方向包括金属增材制造、难熔高熵合金高温力学行为。发表J. Mater. Sci. Technol.、Scr. Mater.等期刊论文10余篇，主持国家自然科学基金青年项目等多项科研课题。

引用本文

Long Xu, Hui Chen, Yuefei Jia, Dongpeng Wang, Shiwei Wu, Yandong Jia, Gang Wang, Zixu Guo, Yilun Xu, Revealing effects of creep damage on high-temperature fatigue behavior for HfNbTiZr refractory high-entropy alloys: Experimental investigation and crystal-plasticity modelling, J. Mater. Sci. Technol. 231 (2025) 134-150