基于滑移不可逆局域化的高熵合金疲劳特性快速评估方法

潘冬星，王晓钢^*，姜潮

(湖南大学机械与运载工程学院，长沙，410000)

近年来，高熵合金凭借其独特的微观组织设计理念和优异的综合力学性能，成为先进合金材料研发的前沿方向。与传统单主元合金不同，高熵合金通常由多种主元构成，其主元类型和含量均可变可调。这一全新设计理念增加了合金的化学复杂性，带来了特殊的微观组织特点，为其力学性能调控提供了广阔的空间和潜力。然而，这种复杂性和可变性也为该类合金力学性能尤其是疲劳性能的评估带来了极大的挑战。如何寻找一种快速可行的方法对其疲劳特性进行评估成为一个重要的研究问题。本文拟提出一种从合金材料疲劳损伤的内禀特性——滑移不可逆局域化的基本观点出发，建立一套基于原子尺度模拟的疲劳损伤评估和疲劳强度预测方法，仅依赖于少数疲劳试验数据，即对具有可变主元成分和含量的高熵合金实现高周疲劳强度预测。

首先，建立可靠的疲劳特性预测模型，关键在于提出能够反映疲劳损伤从微观到宏观传递规律的有效评估指标。已有研究表明，滑移不可逆性是描述疲劳损伤演化的重要参数，但疲劳损伤不仅取决于不可逆变形的程度，滑移的局域化同样是疲劳裂纹萌生的重要内禀特性。针对这一问题，本文提出了一套可同时考虑循环滑移的不可逆性和局域化特征的理论方法，即滑移不可逆局域化(Slip irreversibility localization, W)指标。通过分子动力学模拟手段，研究在原子尺度实现了对合金材料中滑移不可逆局域化特征的定量度量，从而实现对疲劳损伤参量的高效量化分析。研究所采用材料为典型的Al_xCoCrFeNi_y高熵合金，其Al和Ni含量可变，包括四种代表性组分：Al_0.1CoCrFeNi, Al_0.3CoCrFeNi, Al_0.7CoCrFeNi和AlCoCrFeNi_2.1。结果表明，不同化学成分和微观变形机制对合金的滑移特征具有显著影响，并且这种影响是复杂的。所提的W指标能够反映这种由成分调控引起的变形机制差异，具有很好的微观组织敏感性，如图1所示。研究进一步从位错微观尺度探究了不同合金材料滑移不可逆局域化的差异性来源，发现位错行为对微观损伤演化极为敏感，并可将这种敏感性有效地传递至提出的W指标上。在此基础上，本文建立了基于W指标的高熵合金疲劳强度预测模型，预测结果与试验数据的偏差控制在12%以内，平均预测精度较基于滑移不可逆性的传统指标(P)提升36%，如图2所示。

图1 不同Al/Ni比例下Al_xCoCrFeNi_y高熵合金的滑移不可逆局域化及循环变形机制

图2 基于滑移不可逆局域化指标的预测结果及对比分析

综上所述，本文提出了一种基于滑移不可逆局域化的高熵合金疲劳特性评估新方法，验证了其在反映微观变形特征与疲劳特性关系方面的有效性，实现了在原子尺度上对可变主元成分高熵合金的高周疲劳强度预测。该研究为抗疲劳高熵合金设计与特性评估提供了一种可行的技术方案。