文|近史演绎
编辑|近史演绎
结构材料的疲劳失效会给在役结构以及人类生命带来巨大风险。开发具有抗疲劳性的先进耐用结构材料具有重要的社会影响。高熵合金（HEAs）的新概念因其表现出的不寻常的力学性能而引起了广泛的关注，并相应地为设计抗疲劳结构材料开辟了一条新道路。
本文讨论并回顾了目前关于高熵合金疲劳行为和机制的研究结果。基于对高熵合金抗疲劳有利变形机理的理解，从材料设计的角度为推进抗疲劳高熵合金的发展提供了视角，并提出了未来的工作建议。
疲劳失效发生在循环载荷条件下，占服务中金属部件失效的近90%。疲劳失效特别隐蔽，因为它们通常在没有任何明显警告的情况下发生。因此，此类故障可能导致灾难性事故，造成巨大的经济损失并威胁人类安全。由于疲劳寿命从根本上取决于材料成分和微观结构，因此它驱使人们通过冶金手段（例如合金设计和微观结构优化）来追求抗疲劳性的卓越改进。
最近，已经开发出一类称为高熵合金（HEA）或含有多主元素的中熵合金（MEA）的新型合金，它偏离了基于一种或很少两种主元素的传统合金。由于其广阔的成分空间，高熵合金为追求理想性能提供了新的机会，不断发现的卓越性能证明了这一点，例如高强度、出色的低温和环境延展性、出色的断裂韧性、良好的抗疲劳性、出色的耐腐蚀性等。
因此，高熵合金作为未来的结构材料显示出巨大的潜在实际应用，在许多情况下，这总是取决于其决定部件寿命的抗疲劳性。为了追求具有优异抗疲劳性的高熵合金，最近一直在努力研究高熵合金的疲劳行为，尽管有这些工作，但仍然缺乏对高熵合金疲劳机制的全面清晰描述，主要是因为这些报告中的疲劳测试条件和各种高熵合金系统各不相同。
因此，本研究从以下几个方面综述了近年来高熵合金疲劳行为的研究：主要承受长疲劳寿命的弹性循环变形的高周疲劳（HCF）、各周期主要经历塑性变形、疲劳寿命短的低周疲劳（LCF）、疲劳-裂纹扩展和疲劳寿命预测模型。根据这些报道工作的总结，给出了设计先进抗疲劳高熵合金的观点。此外，还提出了未来的工作，以建立对高熵合金疲劳行为的全面理解。
HCF是一种由弹性范围内的交变应力引起的疲劳，疲劳寿命超过104最终破裂前的循环，发生在移动的结构部件中，例如轴，齿轮，圆盘，涡轮叶片等。应力-寿命 （S–N） 曲线用于表示和评估材料的 HCF 性能。
绘制的应力值可以是应力范围 Δσ、最大应力σ.max和应力幅度，σ一个.应力范围 Δσ 由最大值 （σ.max） 和最小值 （σ最小） 应力，即 Δσ = σ.max− σ最小值应力幅值，σ一个，是应力范围 Δσ/2 的一半。应力（荷载）比R定义为最小应力和最大应力的比值，即R = σ最小/σ.max，疲劳耐久性极限（EL）或疲劳强度通常是一个应力值，低于该值的材料在感兴趣的特定寿命，在本工作中，应力比和疲劳耐力极限（EL）基于应力幅度，除非另有说明。
最早的两项关于高熵合金HCF的工作是在Al的相同高熵合金上进行的0.5CoCrCuFeNi，主要由面心立方（FCC）基质和富含Cu的二级FCC相组成。在Hemphill等人的工作中，冷轧Al 的疲劳行为通过四点弯曲疲劳研究了CoCrCuFeNi HEA，其中观察到540至945 MPa的高疲劳耐久极限和0.402至0.703之间的高疲劳比（疲劳耐久极限与极限抗拉强度比），与许多传统合金相比具有优势。
此外，他们发现微结构缺陷（如氧化铝夹杂物和预先存在的微裂纹）对疲劳行为有显着影响。后来，Tang等人研究了相同合金成分但具有不同制造工艺和原材料质量的疲劳行为。他们的结果表明，收缩孔促进了疲劳裂纹的萌生，表明通过使用改进的制造工艺和/或高纯度原材料减少预先存在的微裂纹，可以实现增强的抗疲劳性。
此外，他们还得出结论，在裂纹萌生位点附近观察到的纳米孪晶有助于提高疲劳寿命和高疲劳强度。请注意，这两件作品中研究的合金处于冷轧状态，据信已经引入了缠结位错和一些纳米孪晶，这是所研究高熄铁合金高拉伸强度的原因。
因此，铝中的高疲劳强度0.5CoCrCuFeNi HEA可能是由于其高极限拉伸强度，因为众所周知，较高的拉伸强度可以导致更高的疲劳强度。因此，还利用其他广泛用于提高抗拉强度的强化机制来提高高熵合金的疲劳强度。
晶粒细化是通过施加严重的塑性变形和随后的退火处理来获得增强抗拉强度的常用方法，已应用于具有更高抗疲劳性的高熵合金的设计。Tian等人通过比较超细晶粒（UFG）HEA和粗晶（CG）对应物在完全反向循环变形下的疲劳响应，研究了晶粒尺寸对单相FCC CoCrFeMnNi HEA的HCF行为的影响。
在他们的研究中，抗拉强度从CG（d ~ 676 μm）HEA的30 MPa增加到UFG HEA（d ~ 888.0 μm）的65 MPa。结果，在减小晶粒尺寸后，UFG HEA的疲劳强度显着提高了47%，这归因于可以极大地适应位错的UFG结构。
此外，在全反转高周疲劳试验中发现该UFG中没有晶粒粗化，表明在循环变形过程中具有良好的微观结构稳定性。它有利于疲劳强度的提高，因为来自这些超细颗粒的粗晶粒可以为应变定位和随后的开裂创造更好的位置，从而恶化疲劳性能。尽管疲劳强度大大提高，但与CG对应物（0.32）相比，UFG HEA（0.28）的疲劳比并没有太大改善。
微观结构层次结构可以设计成实现良好的机械性能，包括疲劳寿命。多级微观结构可以包括多级多相结构、沉淀强化结构、亚稳结构、异质晶粒、位错细胞结构等。 最近，Koyama等人报道了通过创建骨状多级亚稳纳米层压多相微结构对钢的抗疲劳性有了显着改善，其中多种微观机制，例如粗糙度引起的裂纹终止和转变诱导的可以同时激活可以抵抗裂纹扩展的裂纹终止。
因此，通过设计分层微观结构在高熵合金中加入额外的机制可能是提高高熵合金抗疲劳性的另一种有效途径。受这一新概念的启发，Shukla等人在热处理的AlCoCrFeNi中设计了一种分层微观结构。共晶HEA（EHEA），显示出四个不同的微观结构特征：（i）层状FCC（L12）区域，（ii）含有B2颗粒的重结晶FCC相，（iii）具有富Cr的无序体心立方（BCC）相的层状BCC / B2，以及（iv）重结晶BCC / B2相。
由于这种独特的分层特征，冷轧退火共晶HEA的疲劳强度从没有这种层次结构的铸造的500 MPa提高到390 MPa。疲劳性能的增强被认为是由两种不同微观结构形貌之间的不同裂纹萌生行为引起的。在铸造条件下，FCC薄片中沿持续滑带（PSB）开始的裂纹。然而，在热处理条件下，由于B2沉淀物的存在，裂纹萌生延迟。
同样，Liu等人研究了纳米尺寸L1的影响析出物（~2.2 nm）对Al的高周疲劳特性的影响，具有两种不同微观结构形态的CoCrFeNi HEA，即FCC（L12）+ B2 和 FCC + B2 层状结构。在纳米尺寸L1的高熵合金中未观察到疲劳性能的实质性改善2FCC薄片内的沉淀物，尽管沉淀物确实增强了拉伸强度。
对于这两种微观结构形态，裂纹沿PSB和FCC/B2相边界引发和扩展。据信，相干纳米尺寸的L12在循环变形过程中会剪切沉淀物，不能有效抵抗位错的运动，导致循环软化和应变局部化。这与FCC相中硬B2沉淀产生的明显位错阻断特征不同。
通过结合晶粒细化和分层特征，Liu等人还研究了UFG多级多相，在他们的研究中，获得了高疲劳强度（450MPa）和耐久性极限（~0.43）的优异抗疲劳性，这是由于超细晶粒，B2和σ相的复合强化以及广泛变形纳米孪晶的形成。FCC基质中的B2和σ相在影响疲劳性能方面有两个作用。
一是硬，B2、σ相和基质之间的界面是引发裂纹的优选位点，由于微观结构不均匀性引起的应力集中的影响，它们成为后来的扩展途径。然而，由于界面处位错堆积产生的应力集中会导致变形纳米孪峰的形成，从而降低裂纹扩展速率并增强疲劳性能。因此，控制非均质界面以最小化多级微观组织中微观结构不均匀性的负面影响，对提高材料的抗疲劳性具有重要意义。
创建异质晶粒和/或位错单元结构是提高结构材料抗疲劳性的另一种途径，可以通过部分重结晶、表面机械处理（SMT）、循环扭转（CT）、增材制造（AM）等来实现。目前，利用异质晶粒和位错细胞使用SMT和CT增强高熵合金的HCF抗性的研究有限，尽管它们在提高高熵合金的屈服强度方面有效。
相比之下，AM作为一种快速兴起的制造技术，最近已被用来探索其对高熵合金HCF抗性的影响，通过产生独特的异质微观结构。Kim等人使用AM技术制备了异质结构原位形成的氧化物，增强了CoCrFeMnNi HEA，并研究了其HCF特性和变形行为。
根据他们的工作，发现与真空感应熔炼制备的均质对应物相比，AM构建的CoCrFeMnNi HEA的疲劳极限从280 MPa提高到570 MPa。增材制造高熵合金的非凡抗HCF性主要归因于AM构建样品中独特的非均相微观结构，包括非均相晶粒结构、位错网络和原位形成的氧化物，以及疲劳变形引起的变形孪晶。
当然，AM不可避免地会引入微观结构缺陷，例如孔隙或未熔化的粉末，这可能会降低材料对HCF的抵抗力。例如，在Kim等人的工作中，与无缺陷高熵合金样品相比，疲劳裂纹很容易在AM诱导的孔隙或未熔化的粉末区域周围引发，疲劳极限降低了~40 MPa。因此，尽可能减少AM诱导的缺陷至关重要，尽管AM产生的独特异质微观结构在提高HCF抵抗力方面具有巨大潜力。
由于高熵合金处于早期探索阶段，其中合金设计是主要关注点之一，因此很少研究加载路径相关行为。对于传统合金，不同载荷路径下疲劳行为的实验和本构建模工作被广泛报道。这种理解将把新型合金与复杂环境下的应用联系起来。许多报道的高熵反应表现出与传统结构材料相当的疲劳性能，这可以归因于高熵合金的独特特性。本文获得的观点可以为先进抗疲劳高熵合金的设计提供有价值的见解。