2020年5月15日，张旭教授研究组在固体力学领域顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上在线发表论文“Cyclic plasticity of an interstitial high-entropy alloy: Experiments, crystal plasticity modeling, and simulations”，论文通讯作者为张旭教授，第一作者为博士研究生陆晓翀，合作者有康国政教授、阚前华教授、李志明教授、于超副教授、博士生赵建锋。这也是力学学院向8040威尼斯124周年校庆日献上的一份礼物。
传统的合金往往只含有1-2种主要元素，这种设计理念逐渐成为限制合金性能进一步提升的瓶颈。近年来，高熵合金（high entropy alloy, HEA）的出现打破了这种传统设计理念，合金化学成分具有多种主元，也被称为多主元合金。Fe49.5Mn30Co10Cr10C0.5 (at.%)是在亚稳态双相高熵合金Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%)的基础上加入微量间隙原子C而发展出的新型高熵合金（以下简称iHEA），在经过晶粒细化后，这种高熵合金能形成近似单相FCC结构，多种强化机制和塑性变形机制使得 iHEA具有良好的强韧性匹配能力。
材料在实际服役过程中，往往会受到循环载荷的作用。在平均应力不为0的非对称应力载荷作用下，材料会产生循环塑性不断累积的棘轮行为，对材料的低周疲劳寿命有重要影响。关于iHEA单拉变形行为的宏微观实验研究目前已比较丰富，但循环塑性行为的实验研究和机理分析尚未开展，一定程度上阻碍了该合金服役能力的评估和工程应用。
8040威尼斯力学与工程学院康国政教授团队与德国马普钢铁研究所合作，针对单相iHEA开展了循环变形测试，并对变形后的试样进行微观表征分析，根据宏观力学响应和微结构演化规律发展出合理描述这种高熵合金棘轮行为的晶体塑性本构模型。相关研究工作于2020年5月15日在固体力学领域顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上在线发表，论文通讯作者为张旭教授，第一作者为博士研究生陆晓翀，合作者有康国政教授、阚前华教授、李志明教授、于超副教授、博士生赵建锋。论文题目为“Cyclic plasticity of an interstitial high-entropy alloy: Experiments, crystal plasticity modeling, and simulations”。
通过非对称应力控制的循环变形测试，本研究首次获取了iHEA的循环应力应变曲线和棘轮应变演化曲线。在不同应力幅的循环载荷作用下，iHEA表现出与传统合金钢（304、316L不锈钢等）相似的棘轮特性。但在相似应力水平下，iHEA具有比316L不锈钢更低的饱和棘轮应变率，这说明iHEA具有更强的循环硬化效应和抵御塑性累积的能力。
图1 iHEA在循环变形下的应力应变曲线和棘轮应变演化曲线。
通过EBSD和ECCI等微观表征手段，研究者发现iHEA的循环硬化能力源自其内部特殊的微结构演化。以往研究表明，iHEA具有位错滑移、变形孪晶、马氏体相变三种塑性变形机制。同单拉变形情况相比，在循环载荷作用下iHEA内部产生了由多重孪晶和马氏体片层组成的网格状微结构，且平均马氏体体积分数达到50%。而在单拉情况下，局部应变为90%的断口处马氏体体积分数也仅为36.7%。丰富的内界面，特别是网状微结构的出现，有效地缩短了可动位错的平均自由程，因此提升了iHEA的循环硬化能力。
图2 iHEA的EBSD和ECCI表征图。
基于宏观测试和微观表征的结果及相关分析，进一步发展了考虑微观物理机制的晶体塑性本构模型来描述iHEA的棘轮行为。在该模型中，各向同性硬化和随动硬化分别由林位错强化和背应力提供，而两者又受到位错平均自由程的影响，也就是间接受到孪生和马氏体相变等塑性机制的影响。该模型通过马普钢铁所开发的材料模拟平台DAMASK移植有限元数值实现。模拟结果表明，该模型可以较好地描述不同工况下棘轮应变的演化情况。通过分析位错密度、孪晶和马氏体体积分数的演化，可以进一步看出外部载荷通过改变微结构的演化速率来影响材料的硬化行为，从而影响材料的宏观变形响应。模拟也显示马氏体在微结构内部分布得很不均匀，与微结构表征相似，这是多晶材料各向异性导致的。
图3 晶体塑性有限元模拟结果。
该研究受到国家自然科学基金（No.11872321）、德国洪堡基金、北京科技大学新金属材料国家重点实验室开放课题（No. 2019-Z07）和8040威尼斯博士生创新基金（2019）的资助。张旭教授“多尺度材料力学”研究组隶属康国政教授“材料本构关系和疲劳断裂”研究团队，已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《Acta Materialia》等固体力学与金属材料领域顶级期刊上发表多篇论文。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.103971
