共晶高熵合金相界亞種相關(guān)的高溫疲勞開裂機理

在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，高熵合金因其在強塑性調(diào)控上展現(xiàn)出的潛力而受到關(guān)注。然而，相界作為潛在的薄弱點，可能會引發(fā)高熵合金疲勞開裂。近期，伯明翰大學(xué)、南京航空航天大學(xué)以及牛津大學(xué)的研究團隊合作探究了高熵合金相界亞種相關(guān)的高溫疲勞開裂機理，研究成果以“FCC/B2 phase boundary variant-sensitive fatigue cracking in a eutectic high entropy alloy at high temperature”為題，在國際學(xué)術(shù)期刊《International Journal of Plasticity》上得到了詳細(xì)報道。牛津大學(xué)公派博后、伯明翰大學(xué)訪問學(xué)者韓琦男博士為論文第一作者，合作導(dǎo)師為牛津大學(xué)/伯明翰大學(xué)雙聘教授、工程院院士Roger C. Reed，韓琦男博士、伯明翰大學(xué)Yuanbo T. Tang教授和南京航空航天大學(xué)崔海濤教授為本文共同通訊作者。

本研究圍繞共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1，探究了高溫下FCC/B2相界亞種和裂紋/相界攻角在疲勞開裂中的作用機理。通過高溫原位掃描電子顯微鏡（SEM）測試、電子背散射衍射（EBSD）和納米壓痕測量，揭示了FCC/B2相界的兩種亞種在疲勞裂紋擴展中的不同行為，并量化了裂紋行為與裂紋/相界攻角的關(guān)聯(lián)。此外，借助晶體塑性有限元分析了雙相變形分配、位錯密度演化及循環(huán)硬化行為。

本研究明確區(qū)分了FCC/B2相界的兩種亞種，即先析FCC相與B2相之間的FCC/B2相界（記為I型相界），以及共晶區(qū)域內(nèi)FCC相與B2相之間的FCC/B2相界（記為II型相界）。盡管它們往往都被視為FCC/B2相界而未加區(qū)分，但本研究發(fā)現(xiàn)這兩種相界亞種在疲勞開裂特性上具有顯著差異，II型相界與疲勞開裂關(guān)聯(lián)更加密切，這導(dǎo)致了高溫下沿晶開裂主導(dǎo)的斷裂行為。納米壓痕測量證實了上述發(fā)現(xiàn)，表明I型相界和II型相界的特性差異源于先析FCC相與共晶FCC相性能的顯著不同。

研究還發(fā)現(xiàn)裂紋/相界攻角對相界開裂行為具有顯著影響。沿全裂紋路徑對裂紋/相界攻角進行了40次測量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋/相界攻角過小時，容易引發(fā)相界脫粘進而造成沿晶開裂；當(dāng)裂紋/相界攻角過大時，裂紋不得不突破相界進而造成穿晶開裂；當(dāng)裂紋/相界攻角處于中間某個最佳角度窗口時，能夠?qū)Ω邷仄诹鸭y在相界處的擴展起到一定抑制作用。研究還展望了相關(guān)結(jié)果對抗疲勞設(shè)計的意義，以期為相界相關(guān)的抗疲勞設(shè)計貢獻新的思考。(請點擊閱讀全文了解更多信息)