《INTERNATIONAL JOURNAL OF PLASTICITY》：Influence of multiple-pass equal-channel angular pressing and heat treatment on the fatigue threshold of the medium-entropy alloy CrCoNi
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CrCoNi合金经ECAP加工和热处理形成不同晶粒尺寸（0.25-32 μm）和再结晶度（0%-99%），研究发现晶粒尺寸增大导致疲劳阈值指数增长，但部分再结晶（40%-70%）因不均匀变形和内部多轴应力降低阈值，SEM和EBSD分析揭示裂纹尖端微观结构对疲劳行为的关键影响。
丽莎-玛丽·瑞默（Lisa-Marie Rymer）| 马库斯·哈特尔（Markus H?rtel）| 丽莎·温特（Lisa Winter）| 托马斯·兰普克（Thomas Lampke）
德国开姆尼茨工业大学材料科学与工程学院材料与表面工程组，开姆尼茨，邮编09107
摘要
中等熵合金CrCoNi以其优异的断裂韧性和强度组合而闻名，这种性能在室温和低温下都能得到保持。然而，当金属或合金达到其断裂韧性时，裂纹会不稳定地扩展，最终导致材料断裂。因此，在疲劳裂纹扩展曲线的初期调整微观结构至关重要，因为此时疲劳阈值已经占据了材料寿命的90-95%，并且对微观结构特征极为敏感。本研究详细探讨了晶粒尺寸以及部分再结晶对疲劳阈值的影响。为此，采用了众所周知的严重塑性变形工艺——等通道角压（ECAP）并结合后续热处理来获得不同的晶粒尺寸（0.25 μm、3 μm、28 μm、32 μm）和不同的再结晶程度（0%、40%、70%、99%）。疲劳裂纹扩展试验在三点弯曲条件下进行，使用共振测试机，载荷比为R = 0.1。结果表明，随着晶粒尺寸的增加，疲劳阈值呈指数趋势上升。令人惊讶的是，经过ECAP处理和热处理后的材料并未遵循这一指数趋势，而是出现了偏差。此外，部分再结晶将疲劳阈值降低到了与ECAP处理后的水平相当。通过深入的扫描电子显微镜（SEM、EBSD）分析，发现部分再结晶条件下的低疲劳阈值是由于不均匀的变形行为、较大的内部多轴应力以及裂纹尖端滑移可逆性的降低所致。
引言
近年来，高熵合金（HEAs）和中等熵合金（MEAs）因其出色的性能而受到广泛关注。特别是HEAs和MEAs有望克服众所周知的强度-延展性 trade-off，因为在应变过程中会激活额外的变形机制，如变形孪晶形成（Hasan等人，2019；Li等人，2016；Ma和Wu，2019a；Wu等人，2019b；Zhang等人，2023）。其中，CrCoNi是最有前景的MEAs之一，因为它在低温下仍具有优异的拉伸强度和延展性（Gan等人，2019；Gludovatz等人，2016；Guo等人，2023），良好的耐腐蚀性（Feng等人，2020；Wetzel等人，2025, 2022），以及良好的疲劳性能（Gludovatz等人，2016；Hwang等人，2025；Rackwitz等人，2020；Wang等人，2024）。此外，CrCoNi在低温（77 K）下表现出迄今为止测量到的最高断裂韧性之一（Gludovatz等人，2016）。CrCoNi中的疲劳诱导塑性变形主要通过滑移带和滑移面的平面滑移实现（Lu等人，2023）。平面滑移有利于疲劳寿命的延长，因为滑移具有循环可逆性（Mughrabi，2013）。在半个周期的加载过程中，CrCoNi中产生的部分堆垛故障（SFs）在反向加载时容易得到缓解，从而延缓裂纹的起始和扩展（Lu等人，2023）。此外，CrCoNi还表现出连续的稳定应变硬化，这是由于位错相互作用和纳米孪晶的形成（Gludovatz等人，2016；Wang等人，2025）。CrCoNi的堆垛故障能（SFE）约为22 ± 4 mJ/m2（Laplanche等人，2017），这种低SFE使得孪晶形成成为位错滑移的额外变形机制，即使在77 K下也是如此，这也解释了CrCoNi的异常高断裂韧性。关于CrCoNi的疲劳行为，已有大量研究，包括低循环疲劳（LCF）（Lu等人，2021；Wang等人，2024）和高循环疲劳（HCF）（Hwang等人，2025）以及断裂韧性（Gludovatz等人，2016；Liu等人，2022a；Slone等人，2024）。然而，接近疲劳阈值区域的行为研究较少，即疲劳阈值决定了从短裂纹扩展到长裂纹扩展的转变过程（Liu等人，2022b；Rackwitz等人，2020）。在接近阈值区域，微观结构、组分尺寸和几何形状、加载条件、环境以及温度对疲劳裂纹扩展具有重要影响。在面心立方（fcc）结构的CrCoNi中，通过严重的塑性变形（SPD）和后续热处理可以诱导出多种微观结构元素，如SFs、变形孪晶、滑移带和剪切带（Dan Sathiaraj等人，2018；Deng等人，2019；Ma等人，2018；Wu等人，2020）。常用的SPD技术包括冷轧（Bertoli等人，2024；Sathiyamoorthi等人，2019a；Slone等人，2019）、ECAP（Deng等人，2023, 2022, 2019）和高压扭转（HPT）（Praveen等人，2018；Sathiyamoorthi等人，2019b；Schuh等人，2018）。然而，只有ECAP能够产生较大的样品尺寸（Frint等人，2016），这些样品尺寸对于疲劳测试是必需的。如果样品尺寸，特别是厚度太小，整个截面的高塑性可能导致异常高的疲劳阈值，这并不能真实反映接近阈值时的疲劳裂纹扩展行为（Li等人，2019b）。因此，ECAP是产生较大样品尺寸的最可靠技术，因为该技术可以使整个截面发生严重的塑性变形。此外，ECAP还能在CrCoNi中引入上述提到的微观结构元素（Deng等人，2022, 2019）。Deng等人（Deng等人，2019）还报告了ECAP后CrCoNi中形成了三维孪晶网络。Slone等人（Slone等人，2024）在室温锻造后也发现了类似的三维孪晶结构，这种结构有望通过孪晶边界偏转或通过孪晶形成和退孪晶来减少应力集中（Kim和Kim，2018）。Hua等人（Hua等人，2023）还在CrCoNi中模拟了三维缺陷网络。当超过疲劳阈值时，裂纹扩展会因变形孪晶边界处的裂纹钝化和桥接效应而减缓（Kim和Kim，2018）。如果ECAP后进行热处理或其他SPD工艺，可以在诱导的变形孪晶边界处形成六方密排（hcp）相。这种hcp相虽然只有几层原子厚，但显著提高了CrCoNi的强度（Deng等人，2019；Jiang等人，2024；Schuh等人，2018；Slone等人，2019；Slone等人，2019）。然而，并非所有研究小组都观察到了hcp相的形成（Praveen等人，2018）。热处理后的强度增加也可能归因于退火引起的硬化，这可能是由于偏聚/短程有序化（Jian等人，2020；Li等人，2019a；Tian和Chen，2024）、位错在低能量配置下的排列（Gubicza等人，2018）、晶界松弛（Gubicza等人，2020；Praveen等人，2018；Renk和Pippan，2023；Sheinerman和Krasnitckii，2021）、森林位错处的凸起形成（Wessels和Nabarro，1971），或者位错在晶界处的固定，从而引入了比热处理前更高的应力场（Mompiou等人，2012）。这些微观结构元素也可能影响CrCoNi的疲劳阈值，但在大多数合金中，晶粒尺寸及其分布对疲劳阈值的影响最大（Ritchie，1979）。通常情况下，随着晶粒尺寸的增加，疲劳阈值也会增加（Pippan，1991；Ravichandrant和Dwarakadasa，1991；Ritchie，1977）。特别是Rackwitz等人（Rackwitz等人，2020）报告称，在室温下测试时，晶粒尺寸分别为7 μm和68 μm时，疲劳阈值分别为5.7 MPa m1/2和9.4 MPa m1/2。有趣的是，在较低温度（77 K）下，由于纳米孪晶的形成增加，疲劳阈值提高了约40%-46%，这导致裂纹扩展速率降低，因为裂纹偏转更为明显，且粗糙度引起的裂纹闭合比例更高（Rackwitz等人，2020）。此外，Liu等人（Liu等人，2022b）还研究了再结晶晶粒比例对疲劳阈值的影响。在疲劳裂纹扩展速率为10?? mm/周期时，疲劳阈值确定为8.5 MPa m1/2至17.8 MPa m1/2。随着时间的推移，再结晶晶粒的尺寸从0.51 μm增加到2.4 μm，再结晶晶粒的比例从10.2%增加到100%。疲劳阈值随着再结晶晶粒比例的增加而增加，因此也随着晶粒尺寸的增加而增加。Liu等人（Liu等人，2022b）发现裂纹沿着再结晶晶粒的滑移面和孪晶边界扩展，这也激活了裂纹偏转和粗糙度引起的裂纹闭合机制。
本研究首次探讨了ECAP处理和热处理后晶粒尺寸（从亚微米范围（0.3 μm）到30 μm）以及再结晶程度（从0%到100%）对CrCoNi疲劳阈值的影响。疲劳裂纹扩展试验后，重点研究了裂纹尖端的微观结构，并评估了微观结构元素（晶粒尺寸和再结晶程度）对CrCoNi接近阈值区域裂纹路径的影响。
材料制备
CrCoNi锭材（Cr含量30.62 wt.-%，Co含量34.81 wt.-%，Ni含量34.57 wt.-%，Cr纯度99.95%，Co纯度99.9%，Ni纯度99.95%）由德国R?ttenbach的Hauner GmbH und Co. KG通过真空感应熔炼制备，在美国明尼苏达州明尼阿波利斯的Tovac 12 Mark IV设备中于1150°C下保温6小时进行均匀化处理，随后由德国开姆尼茨的CMMC GmbH使用100吨液压机热锻（预热至1200°C持续30分钟），并在氩气气氛中于900°C下保温2小时进行再结晶（Linn High Therm马弗炉）。
疲劳裂纹扩展试验前的微观结构
观察到的C0、C3、C0+和C3X条件均具有面心立方（fcc）结构，这一点通过X射线衍射测量得到了确认。此外，C0和C3条件也在Rymer等人（2026）的论文中对其机械和微观行为进行了深入讨论。图3展示了C0（图3a）、C3（图3b）、C0+（图3c）和C3X条件下的取向（逆极图，IPF）图与图像质量（IQ）图。
结论
本研究在室温下，通过对CrCoNi进行三次ECAP处理和后续热处理（以获得不同的晶粒尺寸（约0.3 μm至30 μm）和不同的再结晶程度（0%、40%、70%、99%），在载荷比R = 0.1的条件下，研究了其接近阈值区域的疲劳裂纹扩展行为。观察结果总结如下：
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三次ECAP处理将CrCoNi的晶粒尺寸减小到亚微米范围（0.25 μm），与初始条件C0相比。
CRediT作者贡献声明
丽莎-玛丽·瑞默（Lisa-Marie Rymer）：概念构思、数据管理、形式分析、研究方法、验证、撰写——初稿、未来研究的资金支持。马库斯·哈特尔（Markus H?rtel）：撰写——初稿、审稿与编辑、未来研究的资金支持。丽莎·温特（Lisa Winter）：形式分析、验证、撰写——审稿与编辑、未来研究的资金支持。托马斯·兰普克（Thomas Lampke）：资金筹集、项目管理、资源协调、监督、撰写——审稿与编辑。
资助
本研究由德国研究基金会（DFG，项目编号468469638）资助。
未引用参考文献
Li等人，2019；Liu等人，2022；Wu等人，2014；Wu等人，2014
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