共晶高熵合金相界亞種相關的高溫疲勞開裂機理

在高溫結構材料領域，高熵合金因其在強塑性調控上展現出的潛力而受到關注。然而，相界作為潛在的薄弱點，可能會引發高熵合金疲勞開裂。近期，伯明翰大學、南京航空航天大學以及牛津大學的研究團隊合作探究了高熵合金相界亞種相關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，在國際學術期刊《International Journal of Plasticity》上得到了詳細報道。牛津大學公派博后、伯明翰大學訪問學者韓琦男博士為論文第一作者，合作導師為牛津大學/伯明翰大學雙聘教授、工程院院士Roger C. Reed，韓琦男博士、伯明翰大學Yuanbo T. Tang教授和南京航空航天大學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/相界攻角的關聯。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硬化行為。

本研究明確區分了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），以及共晶區域內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相界而未加區分，但本研究發現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聯更加密切，這導致了高溫下沿晶開裂主導的斷裂行為。納米壓痕測量證實了上述發現，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。

研究還發現裂紋/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，發現當裂紋/相界攻角過小時，容易引發相界脫粘進而造成沿晶開裂；當裂紋/相界攻角過大時，裂紋不得不突破相界進而造成穿晶開裂；當裂紋/相界攻角處于中間某個最佳角度窗口時，能夠對高溫疲勞裂紋在相界處的擴展起到一定抑制作用。研究還展望了相關結果對抗疲勞設計的意義，以期為相界相關的抗疲勞設計貢獻新的思考。(請點擊閱讀全文了解更多信息)