高熵合金（HEA）的多主组元设计，可以让这种材料体系结合多种元素的优势，且凭借复杂的微观相互作用获得高强度、高韧性及优良的耐腐蚀和耐磨性能，正因如此，在许多极端服役领域，HEA被视为是结构材料的重要候选材料体系之一。其中，以CrMnFeCoNi为代表的五元等原子高熵合金（又称Cantor合金）通常表现出优异的塑性和稳定的晶体结构，目前，在航天航空、能源装备等领域具有较大的性能优势。同时，随着近年来增材制造技术（3D打印）的快速发展，人们开始尝试该技术来制备高熵合金，以获得复杂几何与定制化微结构。但基于这类技术制备的高熵合金在疲劳环境下裂纹萌生与扩展的微观机制长期未被完全阐明，这直接影响服役寿命评估与工程可靠使用。

为揭示其循环变形行为，2025年10月31日，材料领域期刊《Journal of Materials Science & Technology》在线发表了一篇题为“Deformation mechanisms of an additively manufactured high-entropy alloy under cyclic loading”的研究型论文，研究团队对激光粉末床熔融（PBF-LB）制备的CrMnFeCoNi合金进行低周疲劳加载，并采用EBSD对裂纹前沿及周围塑性区进行逐区域解析，明确了晶格旋转、变形孪生、位错累积、跨晶扩展和裂纹粗糙闭合等多个机制之间的协同关系。通讯作者为同济大学的冯艾寒副教授和加拿大多伦多都会大学的D.L. Chen教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.10.042

【核心内容】

PBF-LB制备的CrMnFeCoNi高熵合金的微观结构具有独特的层次化演变特征，由柱状晶、熔池边界和细胞状位错结构构成，这一结构改变了合金在循环过程中的应变分配方式，裂纹尖端的晶格旋转与变形孪生协同实现局域应力缓释与裂尖钝化，从而延缓裂纹扩展。同时，晶粒内部形成的高低应变区域促使裂纹沿晶内路径跨晶扩展，但由于裂纹两侧的变形不对称，诱导裂纹闭合，进一步提升材料的抗疲劳能力。

图形摘要

【研究方法】

团队对预合金化的等原子比CrMnFeCoNi粉末进行PBF-LB制备（光斑尺寸=80µm；激光功率=260 W；扫描速度=900mm/s；扫描距离=100μm；层厚度=30μm；底部基板预热温度=150 ℃），制备出的合金密度为7.99g/cm³，对比8.03g/cm³的理论密度，团队得到样品的孔隙率为0.5%。为表征合金的疲劳性能，团队进行低周疲劳试验，应变幅值分别控制为0.3%、0.6%和0.9%，应变率为1×10⁻² S^-1，将应变比保持在R=−1，在该条件条件下，材料表现出明显的循环软化行为，并在高应变条件下产生次级裂纹，为后续微观机制分析提供了关键观察窗口。

循环变形响应和EBSD扫描位置示意图

【研究成果】

① 层次化细胞结构既提供强化，又成为裂纹萌生位置

快速凝固引起的热应力与元素扩散受限，使得材料内部形成由位错墙包围的细胞状结构，这类结构能够提高合金的初始强度，但同时也导致不同细胞区之间应变响应不均匀，在循环应力作用下，这些界面成为应力集中区域，极易产生裂纹萌生，特别是在熔池边界及细胞形态的转变区域，裂纹可沿位错墙或热影响线逐步扩展。

PBF-LB法制备的CrMnFeCoNi合金疲劳寿命比较

微观结构特征

② 裂纹尖端区域出现晶格旋转与变形孪生的协同变形

在裂尖塑性扰动区域，出现了显著的由<001>向<101>的晶格旋转，取向差最高可达约30°，与此同时，当局部应力达到相应临界值时，会诱发变形孪生形成∑3 CSL边界，晶格旋转有助于缓解局部应力集中，而孪生界面作为位错运动障碍，则有效抑制裂纹尖端尖锐化，使裂尖发生“钝化”效应，从而提升疲劳抗裂能力。

裂纹近界区域中晶格旋转+变形孪生的复合变形形态

晶粒旋转和取向差剖面

③ 裂纹优先沿晶粒内部的高-低应变分区边界跨晶扩展

柱状晶在循环载荷下内部会形成明显的应变分区，在应变较高的区域滑移活动强烈，而反之则相对稳定，在两者之间就会积累高密度的几何必要位错（GNDs），从而使该区域成为裂纹扩展的低能耗路径，团队的表征结果也表明裂纹的主要路径是跨晶方式扩展，而非沿晶界扩展。

裂纹尖端的曲线形孪生机制

高-低应变区域形成及其促进跨晶裂纹扩展的示意

④ 裂纹面不对称形变导致“粗糙度诱导裂纹闭合”延缓裂纹扩展

由于裂纹两侧晶格旋转和孪生分布不对称，裂纹表面会出现弯折，使裂纹在卸载阶段无法完全张开，诱导裂纹闭合，这一裂纹尾部的挤压闭合作用能够有效降低裂纹的有效张开力，从而延缓疲劳裂纹的持续扩展，该机理属于“裂纹尾部韧化机制”，是提高循环寿命的重要贡献因素。

变形不对称引起的裂纹闭合行为

【总结与展望】

研究揭示了PBF-LB CrMnFeCoNi高熵合金在循环载荷下的多机制协同变形模型，材料从裂纹萌生、扩展到抑制的全过程呈现动态自调节特性，为增材制造高熵合金构件在承载交变载荷条件下的可靠服役提供了关键理论支撑。