CoCrFeMnNi高熵合金中的临近阈值疲劳裂纹扩展：微观结构状态与裂纹-边界相互作用的影响

《Journal of Materials Science & Technology》：Near-threshold fatigue crack propagation in a CoCrFeMnNi high-entropy alloy: The role of microstructural state and crack–boundary interaction

　　

云智朴|尚恩朴|赫敬成

韩国首尔02707国立大学材料科学与工程学院

摘要

通过对CoCrFeMnNi高熵合金进行热机械处理，生成了以变形为主导的状态（AR, HT650）和再结晶状态（HT1000, HT1100），研究了其近阈值疲劳裂纹传播行为。再结晶的HT1000和HT1100表现出较高的疲劳阈值，为10.9–11.4 MPa m^1/2，而以变形为主导的状态则表现出明显的取向依赖性（AR LT: 7.9 MPa m^1/2, AR TL: 4.6 MPa m^1/2）。断口成像（DIC）和裂纹尖端电子背散射显微镜（EBSD）分析表明，再结晶过程减缓了应变局部化，并促进了裂纹尖端的均匀变形。裂纹路径分析显示，近阈值抗力不能仅用裂纹的弯曲程度来解释，而是受到裂纹相遇密度、局部相互作用响应和相遇几何形状的影响。尽管每次裂纹相遇的修正偏转角相当，但HT1000的相互作用密度更高，裂纹路径的调制也更为连续。透射电子显微镜（TEM）进一步显示，裂纹尖端的变形集中在特定的Σ3孪晶界上，这表明孪晶界更多地起到了局部相互作用点的作用，而不是普遍的障碍。因此，HT1000的优异抗力源于其有利的微观结构：缺陷减少的再结晶基体与有效的晶界相互作用网络相结合。

引言

等原子比的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA），也称为Cantor合金，因其多主元素合金的设计空间及其卓越的低温断裂韧性和延展性而受到关注[[1], [2], [3]]。然而，可靠的工程应用需要理解疲劳裂纹传播（FCP）行为，而不仅仅是单调性能，特别是在近阈值区域，那里的损伤容忍度由亚临界裂纹生长控制[4,5]。

对CoCrFeMnNi及相关面心立方（FCC）/中等熵合金的基础研究表明，近阈值FCP抗力受裂纹尖端防护、裂纹闭合、温度和晶粒尺寸的强烈影响[5,6]。对于粗晶粒的CoCrFeMnNi，在室温下且R=0.1时，报道的近阈值ΔK_th值通常约为4.8 MPa m^1/2，其Paris区域的行为与奥氏体钢相当[7]。这些研究定义了Cantor合金的 baseline 疲劳响应，但测量得到的阈值容易受到诸如表面粗糙度引起的裂纹闭合和裂纹路径偏转等外在因素的影响，这使得难以区分晶粒尺寸和微观结构状态的作用[3,8]。

为提高HEAs的抗疲劳性能提出的微观结构策略包括晶粒细化、异质或分层微观结构、亚稳态辅助的裂纹生长延缓以及界面工程[[9], [10], [11]]。尽管这些研究表明可以通过微观结构设计来修改疲劳性能，但在单相FCC基体中的主导机制仍未明确。在近阈值区域，这个问题尤为重要，因为抗力不仅取决于强度，还取决于裂纹尖端内在的塑性适应性与非常缓慢裂纹生长过程中的外在裂纹路径防护之间的相互作用[12,13]。

这个问题在低堆垛 fault 能量（SFE）FCC合金（如CoCrFeMnNi）中尤为突出。降低的SFE促进了Shockley部分分离，抑制了横向滑移，并倾向于平面滑移，这可能影响循环可逆性和疲劳损伤的演变[14,15]。然而，最近的研究表明，近阈值抗力不能仅用晶粒尺寸来解释。Fujita等人[16]指出，在通过火花等离子烧结制备的CrMnFeCoNi中，晶粒尺寸对ΔK_th的影响并不简单，因为即使在细晶粒样品中裂纹闭合仍然显著。同样，Wang等人[17]证明，CoCrFeMnNi中的孪晶界疲劳裂纹不仅取决于晶粒尺寸，还取决于滑移带碰撞点的间距以及基体/孪晶界处的局部晶体学条件。这些观察表明，相关变量不仅仅是晶粒尺寸，还包括由加工决定的微观结构状态，它结合了缺陷密度、再结晶、晶界拓扑和局部裂纹尖端变形。

基于此背景，本研究探讨了具有加工诱导的变形主导和再结晶微观结构的CoCrFeMnNi HEAs的近阈值FCP行为。AR和HT650保持了拉长的变形亚结构，并具有明显的轧制引起的各向异性，而HT1000和HT1100代表了具有不同晶粒尺寸和晶界网络的再结晶状态。通过结合正交疲劳测试、基于EBSD的裂纹尖端和裂纹路径分析、晶界相遇统计以及HT1000裂纹尖端附近区域的TEM表征，本研究阐明了内在裂纹尖端塑性适应性和外在裂纹路径防护如何随微观结构状态变化。特别关注了晶界相遇密度、局部相互作用响应、相遇几何形状，以及将Σ3孪晶界解释为局部相互作用点而非普遍有效屏障[18,19]。在此基础上，本研究确定了近阈值疲劳抗力的有利微观结构窗口。

章节片段

实验

高纯度（>99.9%）的CoCrFeMnNi锭在氩气氛围下电弧熔炼，翻转后重新熔化五次以确保化学均匀性，随后通过电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）确认。锭在1000°C下均化24小时，水淬后冷轧至厚度减少90%。通过在650、1000和1100°C下退火30分钟，产生了不同的微观结构和织构。

微观结构

EBSD分析（图1）显示了CoCrFeMnNi HEA的加工依赖性微观结构演变；所有条件下均保持了单一的FCC相。AR和HT650显示出沿轧制方向排列的严重变形的拉长晶粒，以及未解决的或部分恢复的亚结构。相比之下，HT1000和HT1100显示出完全再结晶的等轴晶粒，平均晶粒尺寸分别为38.1微米和105.9微米，表明从变形主导状态向

目前的结果更多地应通过加工诱导的微观结构状态来解释，而不仅仅是晶粒尺寸[16]。虽然等原子比的CoCrFeMnNi合金提供了促进平面滑移的共同低SFE背景，但这种内在倾向会根据初始缺陷状态的不同而表现出差异[22,23]。因此，AR/HT650与HT1000/HT1100之间的差异代表了从以变形为主导、缺陷丰富的状态向再结晶状态的转变。

结论

• (1)
  CoCrFeMnNi HEA的疲劳裂纹生长行为更多地受到加工诱导的微观结构状态的影响，而不仅仅是晶粒尺寸。AR和HT650保持变形主导和缺陷丰富的状态，而HT1000和HT1100则发生再结晶且缺陷减少。
• (2)
  HT1000和HT1100表现出较高的近阈值抗力（ΔK_th = 10.9–11.4 MPa m^1/2），而AR和HT650则表现出较低的抗力，并具有明显的取向依赖性。
• (3)
  内在贡献与...

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来提高可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

云智朴：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，形式分析，数据管理。尚恩朴：可视化，资源获取，方法学研究，数据管理。赫敬成：写作 – 审稿与编辑，项目监督，资金筹集。

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本工作得到了工业战略技术发展计划——航空发动机用TiAl材料特性数据库的建立（项目编号：RS-2024-00431836）的资助，该计划由贸易、工业与能源部（MOTIE）提供支持。本工作还得到了
韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由科学技术信息部（MSIT）资助（项目编号：RS-2025-00564469）。