辽宁工业大学魏巍、刘亮团队《MSEA》：孪晶与纳米析出协同强化共晶高熵合金的优异拉-拉高周疲劳性能

近日，辽宁工业大学材料科学与工程学院魏巍、刘亮教授团队在《Materials Science & Engineering A》发表了题为《Exceptional fatigue strength of the AlCoCrFeNi2.1 eutectic high entropy alloy under cyclic tensile load: Role of the twinning and nano precipitation strengthening mechanism》的研究论文。团队对铸态 AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金开展了应力比 R=0.1 的拉-拉高周疲劳试验，并结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM），系统分析疲劳前后的组织演化、裂纹萌生位置、开裂模式及协同强化机制。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150817

研究背景

AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金（EHEA）具有典型的层片状FCC+BCC双相组织，兼具较高强度与良好塑性，在航空航天、能源等承受复杂循环载荷的场景中具有应用潜力。与准静态拉伸、压缩和低周疲劳相比，其高周疲劳行为仍缺乏系统认识；而对工作应力低于屈服强度、需经受百万次以上循环的构件而言，高周疲劳性能直接关系到安全评估和寿命预测。

已有研究多关注完全反向加载、拉压疲劳或疲劳裂纹扩展，对工程中常见的非零平均拉应力工况关注不足。拉-拉循环（R>0）会引入拉伸平均应力，影响裂纹的萌生位置和扩展路径。因此，有必要厘清 R=0.1 条件下的高周疲劳损伤机制，并揭示变形孪晶与纳米析出相如何协同提高疲劳抗力。

核心发现

在 R=0.1 条件下，该合金在 1×10⁷ 周次下的疲劳强度达到 510 MPa，疲劳比为 0.45；其屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别为 592 MPa、1125 MPa 和11.55%。在 600 MPa、560 MPa 和 500 MPa 等不同最大应力下，若无明显内部缺陷，疲劳裂纹均优先从试样表面萌生。裂纹萌生和扩展包含两种模式：A 型沿晶裂纹沿 FCC/BCC 相界扩展，阻力较低并占主导；B 型穿晶裂纹跨越相界和硬质 BCC 相，阻力更高，起次要作用。疲劳后近断口区域的 Σ3 孪晶界比例最高达到 70.5%，位错在孪晶界附近大量储存；同时，孪晶区和基体区均观察到纳米析出相。孪晶、纳米析出相与双相界面的协同作用提高了加工硬化能力，并延缓裂纹萌生与扩展。

试验设计

图1 疲劳试验与试样尺寸：（a）单轴拉伸试样；（b）疲劳试样；（c）疲劳前后SEM、TEM取样位置；（d）高周疲劳试验系统

疲劳前微观组织

图2 疲劳前铸态AlCoCrFeNi2.1EHEA的TEM表征

明场像显示铸态AlCoCrFeNi2.1 EHEA 由FCC/BCC 层片状双相共晶组织构成。FCC与 BCC 区域的选区电子衍射（SAED）分别证实两相结构；其中，FCC 区域的微弱超晶格反射表明存在 L1₂ 纳米析出相。FCC/BCC 相界的高分辨像及反傅里叶变换（IFFT）结果显示相界处存在刃位错。几何相位分析（GPA）进一步揭示界面附近出现明显应变突变和局部应力集中，因此相界既是阻碍位错传递的重要屏障，也可能成为疲劳裂纹萌生的敏感位置。

断口形貌：从表面萌生到混合瞬断

图3 最大应力600 MPa、断裂循环数Nf=1.9×10⁵时的断口形貌

断口可分为裂纹萌生区、稳定扩展区和最终瞬断区。裂纹萌生区位于试样表面，整体较平坦，可见放射状贝壳纹和台阶状特征，且未观察到明显孔隙缺陷。稳定扩展区出现疲劳条带、解理特征和二次裂纹；其中，FCC/BCC 相界处的应力集中易诱发裂纹分叉，而二次裂纹能够分散裂纹尖端应力并消耗部分扩展能量。最终瞬断区可见撕裂棱、解理面、沿晶裂纹和细小韧窝，说明硬质 BCC 相的脆性断裂与软质 FCC 相的韧性断裂共同构成韧脆混合断裂。最大应力降至 560 MPa 和 500 MPa 时，裂纹仍从表面萌生。定量分析还表明，在缺陷面积和最大应力相同的条件下，表面缺陷的应力强度因子比内部缺陷高约 30%，进一步解释了表面优先启裂的原因。

循环后的位错、孪晶与析出相

图4 最大应力560 MPa、断裂循环数Nf=1.8×10⁵时的疲劳后TEM表征

循环载荷使 FCC 相内产生大量位错和滑移痕迹，位错主要分布在 FCC 基体及 FCC/BCC 相界附近；BCC 相中的位错相对较少。位错塞积与缠结会造成局部应力集中，达到一定程度后可能成为裂纹萌生位置。相界对位错由 FCC 向 BCC 传递具有显著阻碍作用。由于高周疲劳的循环应力相对较低，层错和纳米孪晶主要出现在 FCC/BCC 相界等高应力集中区域；它们形成后又可进一步约束位错运动。元素分析还显示，BCC 相中存在富 Cr、Co 的非均匀纳米析出相。

两类裂纹模式及其扩展驱动力

图5 最大应力600 MPa、断裂循环数Nf=1.9×10⁵时的断裂面邻近截面，显示A型沿晶裂纹与B型穿晶裂纹

A 型裂纹主要沿 FCC/BCC 相界扩展，路径较长且扩展阻力相对较低，因此是主导模式。B 型裂纹需要穿过相界和 BCC 相；原位截面显示，裂纹穿过 BCC 相后几乎停滞。硬质 BCC 基体、其中的纳米析出相以及 BCC/析出相界面共同提高了穿晶扩展阻力。因此，两类裂纹并非简单并列：A 型沿晶裂纹更容易启动和延伸，B 型穿晶裂纹则受到更多组织屏障的约束。

图6 B型穿晶疲劳裂纹的EBSD表征：最大应力600 MPa，Nf=1.9×10⁵

针对 B 型穿晶裂纹，EBSD 结果显示：裂纹跨越 FCC/BCC 相界时，3-6 号晶粒发生明显取向旋转。裂纹两侧的局部取向差（KAM）、几何必要位错密度（GND）和施密特因子（SF）差异显著，说明两侧晶粒的滑移能力和应变状态不同。取向旋转形成高、低应变区及晶内取向梯度，使局部应变难以充分释放；这些界面可转化为低能扩展路径。因此，晶粒旋转是促进 B 型穿晶裂纹扩展的重要驱动力，而对 A 型沿晶裂纹的驱动作用可以忽略。

孪晶强化的EBSD证据

图7 最大应力600 MPa、Nf=1.9×10⁵时断裂面邻近截面的高倍EBSD表征

混合裂纹路径

图8 R=0.1条件下的位错运动、滑移与混合裂纹路径示意图

高倍 EBSD 结果显示，疲劳后近断口区域的 FCC 相比例约为 64%，BCC 相比例为35.1%，反映出 FCC 相更强的塑性变形能力。该区域的 Σ3 孪晶界比例为 68.4%；在另一较大视场中，其比例达到 70.5%，远高于疲劳前的 3.39%。裂纹边缘的 KAM 和 GND 明显升高，表明局部塑性应变和位错活动集中。尽管 BCC 相的平均施密特因子略高于 FCC 相，但其基体更硬、滑移更难启动；两相滑移能力不匹配会在 FCC/BCC 相界处造成应力集中和非均匀变形。

在整体加载下，裂纹尖端塑性区首先在少量晶粒内发生小范围屈服。随着载荷升高和屈服区扩大，裂纹更可能穿晶扩展；当穿晶裂纹遇到低施密特因子、滑移不易启动的晶粒时，裂纹会偏转至相界并沿晶扩展，直至有利滑移系再次被激活后恢复穿晶扩展。就总体占比而言，阻力较低的 A 型沿晶裂纹占主导，B 型穿晶裂纹起次要作用；两者交替转换，形成沿晶与穿晶并存的混合裂纹路径。

协同抗疲劳机制

图9 基于位错运动、滑移、孪晶和纳米析出相的协同抗疲劳机制

在循环初期，试样表面和 FCC/BCC 相界附近逐渐形成位错、持久滑移带和微裂纹。对于更易扩展的 A 型沿晶裂纹，相界应力集中提供了低阻力路径；而 B 型穿晶裂纹必须依次克服 FCC/BCC 相界、高比例 Σ3 微米级孪晶与纳米孪晶，以及硬质 BCC 相、纳米析出相和相关界面形成的多重屏障。孪晶界能够储存位错、抑制持久滑移带、使裂纹偏转并钝化裂纹尖端；纳米孪晶还能增强位错钉扎并缓解局部应力集中。BCC 相中的 B2 纳米析出相与基体呈非共格关系，位错主要沿析出相边缘绕过而非将其切过，因而由 Orowan 绕过机制主导。计算得到 Orowan 绕过临界应力为 100.00 MPa，高于切过机制的 85.15 MPa。析出强化贡献约 458.26 MPa，晶界强化贡献约 141.03 MPa，二者之和 599.26 MPa，与实测屈服强度 592 MPa 接近。上述机制共同提高加工硬化能力和极限抗拉强度，从而延缓疲劳裂纹萌生与扩展。

主要结论

在应力比 R=0.1 的拉-拉循环条件下，铸态 AlCoCrFeNi2.1 EHEA 在 1×10⁷ 周次下的疲劳强度为 510 MPa，疲劳比为 0.45。合金的屈服强度和极限抗拉强度分别为 592 MPa 和 1125 MPa，较高的强度与加工硬化能力为其优异疲劳性能提供了基础。

在 600 MPa、560 MPa 和 500 MPa 等不同最大应力下，疲劳裂纹均从试样表面萌生。萌生区表现为平坦表面、贝壳纹和台阶状特征；稳定扩展区可见疲劳条带与二次裂纹；瞬断区同时出现撕裂棱、细小韧窝、沿晶裂纹和解理面，呈现 FCC 韧性断裂与 BCC 脆性断裂并存的混合特征。

疲劳裂纹包含 A 型沿晶裂纹和 B 型穿晶裂纹。A 型裂纹主要沿 FCC/BCC 相界扩展，阻力较低并占主导；B 型裂纹跨越相界和硬质 BCC 相，阻力较高并起次要作用。晶粒旋转及其引起的应变梯度是促进 B 型裂纹扩展的重要驱动力，而对 A 型裂纹的驱动作用有限。

疲劳后近断口区域的 Σ3 孪晶界比例最高达到 70.5%，远高于疲劳前的 3.39%。位错在孪晶界附近塞积并大量储存；孪晶界还可抑制持久滑移带、偏转裂纹并钝化裂纹尖端，从而提高加工硬化能力和疲劳抗力。

孪晶区与基体区均可见纳米析出相；BCC相中的富 Cr、Co B2 纳米析出相主要通过 Orowan 绕过机制阻碍位错运动。其析出强化贡献约 458.26 MPa，显著高于晶界强化的 141.03 MPa。纳米析出相、孪晶和双相界面的协同作用共同构筑多重裂纹屏障，是该合金获得高疲劳强度的关键。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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