当前，FCC单相多主元合金（如CoCrNi和CoCrFeMnNi模型合金）引起了研究人员大量的关注。其中，相比大多数FCC多主元合金，具有低堆垛层错能（SFE）的CoCrNi基合金显现了优异的强塑性、疲劳和裂纹扩展损伤性能。尽管CoCrNi基多主元合金的强度-延展性能及变形机理已广为人知，但它们在循环载荷下的性能以及基本的疲劳变形机制如何，仍是未被完全理解的科学问题。回答这些问题对于它们潜在的工程应用至关重要，这是因为，约80%的工程装备机械故障是由疲劳破坏引起的。

因此，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用透射电子显微镜（TEM），深入研究了具有低层错能的CoCrNi多主元合金在室温下的疲劳变形机制，重点分析了循环加载下的位错运动及结构形成原因。相关成果以题为‘Cooperative deformation mechanisms in a fatigued CoCrNi multi-principal element alloy: A case of low stacking fault energy’的论文发表在力学顶刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105419

首先，通过对比CoCrNi多主元合金与其他多主元合金（如CoCrFeMnNi, CrFeNi, Al_0.5CoCrFeMnNi, Al_0.5CoCrFeNi）及传统奥氏体钢（如high-Mn TWIP steel, AL6XN steel, Sanicro25, 316L steel)）的低周疲劳性能，如图1所示，发现该CoCrNi合金在Manson-Coffin曲线及Wohler曲线中均显示了较为优异的疲劳性能。

Fig. 1. (A) Manson-Coffin、(B) Wohler 曲线对比：CoCrNi 合金与其他多主元合计及传统奥氏体钢

接着，利用TEM深入揭示了CoCrNi多主元合金在0.3%、0.5%、0.7%应变幅下的疲劳变形机理，发现该CoCrNi合金呈现两种主要的位错构型：即滑移带、位错墙/胞结构，而这两种位错构型通常分别形成于具有低 SFE 和高 SFE合金材料中。

具体地，在 0.3% 的低应变振幅下，疲劳变形特征包括主滑移带和双滑移带（分别在≈71% 和 29% 晶粒中占主导地位），如图2。

Fig. 2. CoCrNi合金在 0.3% 应变幅下测试直至断裂的 BF-TEM 显微照片。这里，典型的位错结构是滑移带：(A-C) 主滑移带，(D-F) 双滑移带。

随着循环应变幅增大至0.5%和0.7%，除了平面滑移带之外，由于位错交滑移和多滑移体系的激活，还形成了位错墙/胞结构（如图3）。定量地，在 0.5% 和 0.7% 的应变振幅下，分别在≈33% 和 60% 晶粒中发现了位错墙/胞结构，其余晶粒呈现平面滑移带结构。

更有意思的是，在位错墙/胞之间的位错通道内，不仅观察到了通常认为的螺位错，而且发现了不全位错和层错，它们通过平面滑移的方式在位错墙/胞之间运动。因此，在CoCrNi合金中，尽管存在位错墙/胞等代表着严重局部变形的位错结构，位错通道内的不全位错和层错平面滑移行为，在循环加载下仍可承载“更可逆”的塑性应变，从而延迟疲劳裂纹的萌生和扩展。因此，这一行为，很好的解释了具有低层错能的CoCrNi合金优异的疲劳和耐损伤性能。

Fig. 3. CoCrNi合金在 0.7% 应变幅下直至断裂测试的 TEM 显微照片。这里，典型的位错结构包括（A-C）滑移带（SB）、堆垛层错（SF）和（D-E）位错墙/胞

进一步，对位错密度及位错类型的估算与分析，发现：随着应变幅的增加，总位错密度的显著增加来自于统计存储位错（statistically stored dislocations，SSDs）的增加，而几何必须位错密度（geometrically necessary dislocations，GNDs）的增加幅度相对不显著（图4）。因此对比位错结构随着应变幅的变化，推断：位错墙/胞结构可能在疲劳变形中发挥统计存储位错的作用，而位错滑移带可能作为几何必须位错。

Fig. 4. 在不同应变幅下CoCrNi 合金的总位错密度、GND-密度和 SSD-密度

此外，对不同晶粒取向的位错结构统计发现，不同位错结构（滑移带、位错墙/胞结构）的形成与晶粒取向的关系不大，进一步分析认为，相邻晶粒的约束和Copley-Kear效应更有可能决定了这些位错结构的形成。其中，Copley-Kear效应能够很好地解释CoCrNi中全位错和不全位错的共存（或交滑移和平面滑移共存）。具体来说，对于低层错能的合金材料，由于加载方向（即拉伸或压缩）的不同，不全位错的分离距离也不同，分别表现出全位错或不全位错滑移特征。

Fig. 5. 在 (A) 0.3% 和 (B) 0.7% 应变幅下CoCrNi 合金不同位错结构的晶粒取向IPF 图

以上工作也可为理解具有低层错能的其他多主元合金及传统合金（如奥氏体钢）的变形机制提供参考。

该团队此前还研究了CoCrFeMnNi合金的低周疲劳变形机理，以及CoCrNi合金在室温/550℃中高温下的疲劳性能、机理，详见以下文章：

[1]Deformation mechanisms of CoCrFeMnNi high-entropy alloy under low-cycle-fatigue loading, Acta Materialia, 2021, 215, 117089 ( https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117089)

[2]Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi, Scripta Materialia, 2021, 194, 113667（https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113667）

[3]Elevated-temperature cyclic deformation mechanisms of CoCrNi in comparison to CoCrFeMnNi, Scripta Materialia, 2022, 220, 114926（https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114926）