近几年随着增材制造技术的不断发展，研究增材制造材料的循环塑性损伤机理，并开发有效的表面改性技术以提高其疲劳寿命是十分必要的。
近日，华东理工大学的研究团队使用超声波表面轧制法(USRP)处理了增材制造CoCrNi中熵合金(AM-MEA)，并研究了该表面改性技术对材料力学性能和微结构演化的影响。相关论文以Enhanced fatigue resistance and fatigue-induced substructures in an additively manufactured CoCrNi medium-entropy alloy treated by ultrasonic surface rolling process 为题发表在International Journal of Plasticity期刊。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S074964192300205X
概述
研究发现，超声波表面轧制法可以在增材制备的CoCrNi MEAs表面形成~300 μm的梯度结构，显著提高了CoCrNi中熵合金的屈服强度和107周的疲劳极限。在AM+USRP-MEA样品实现了良好的强韧性平衡，而这主要归因于梯度纳米孪晶层引起的HDI硬化。AM+USRP-MEA样品屈服强度的提升包括在位错强化(91.3 MPa)和细晶强化(~100 MPa)。此外，超声波表面轧制法还有助于增强增材制造CoCrNi中熵合金的疲劳性能。其中，材料107周的疲劳极限得到了显著提高，约130 MPa。此外，超声波表面轧制法可以有效地减少增材制造材料表面和表面下缺陷的数量和尺寸，特别是不规则和大的难融（LOF）缺陷。
摘要图
研究团队及还发现AM+USRP-MEA的优异疲劳性能归因于多种因素共同抑制了试样表面的裂纹萌生，包括梯度纳米孪晶层的存在以及表面上和表面下不规则缺陷的减少。通过多尺度表征技术，作者对增材制造钴铬镍CoCrNi中熵合金(AM-MEA)样品在高、低应力水平下加超声波表面轧制法和不加此法的循环塑性变形行为进行了深入研究。结果发现，在480 MPa低应力水平的循环加载下，由于循环应变较小，两种试样的疲劳损伤均以固态合金的积累和少量的PLBs为主。值得注意的是，两种样品的位错运动活性没有显著差异。因此，在低应力下，疲劳寿命的提高归因于裂纹起裂位置的迁移。
而在高应力水平(660 MPa)下，AM-MEA试样的疲劳损伤主要来源于变形孪晶（DTs）、层错（SFs）、几何必需位错（GNDs）和统计存贮位错（SSDs）的累积。相反，AM+USRP-MEA试样的疲劳损伤主要表现为短SFs和SSD的增加，位错密度的增加明显低于增材制造CoCrNi中熵合金试样，这是由于梯度纳米孪晶层导致的HDI效应强化所致。因此，高应力下AM+USRP-MEA材料疲劳寿命的提高与裂纹起裂位置的迁移和HDI应力有关。
图1
具备梯度纳米层的MEA样品的制备工艺、粉末床选区激光熔融（LPBF）和超声波表面轧制工艺示意图。
图2
AM+USRP-MEA样品的梯度微观结构图：(a)EBSD-IPF横断面图像；(b) KAM制图；(c)相应的BC映射图；在(d1-2)、(e1-2) ~50 μm、(f1-2) ~100 μm、(g1-2) ~220 μm和(h1-2) ~450 μm表面不同深度的亮场TEM (BF-TEM)图像；(d2)、(e1)、(f1)和(g1)中的插图为相应的SAED图；(i) USRP处理期间形成的GNS层示意图。
图3
利用XCT重建的AM-MEA和AM+USRP-MEA试样的整体(a-d)和梯度层(e-h)中的缺陷分布：具有2个特征缺陷的AM-MEA(a, e)和AM+USRP-MEA(b, f)样品的缺陷3D渲染图；(c)和(g)为缺陷体积随深度的变化。(d)和(h)为球体度随缺陷等效直径的变化，其中淡紫色矩形框表示LOF缺陷。
图4
AM-MEA和AM+USRP-MEA样品的力学性能:(a)工程应力-应变曲线；(b)相应的加工硬化速率曲线；(c)LUR曲线；(d)流动和HDI应力-真应变曲线。
图5
(a)AM-MEA和AM+USRP-MEA试样的最大应力-失效循环数(S-N)曲线；(b)(a)中各试样经各自UTS归一化后的最大应力，其中虚线表示实验数据的边界。
图6
不同应力水平下AM-MEA和AM+USRP-MEA试样核心区(a1-2-d1 – 2)和梯度层(e1-2-h1-2)的EBSD IPF和KAM图像：(a1-2)和(e1-2)AM-MEA，σmax = 480 MPa。(b1-2)和(f1-2)AM+USRP-MEA，σmax = 480 MPa；(c1-2)和(g1-2) AM-MEA，σmax = 660 MPa。(d1-2)和(h1-2) AM+USRP-MEA，σmax = 660 MPa。其中表征是在距离裂缝表面200 μm的位置进行的。
图7
AM+USRP-MEA试样疲劳实验后~100 μm深度梯度纳米孪晶层微观结构演变：(a)应力水平为480 MPa时的BF-TEM图像；(b)660 MPa应力水平下BF-TEM图像；(c)疲劳前后TB间距的变化；(d)在660 MPa的应力水平下，许多SFs源自TBs，其中黄色三角形代表SFs。
图8
AM-MEA和AM+USRP-MEA试样在低、高应力水平下的疲劳变形机理示意图，以及外加应力从梯度层向内部微观结构的传递和再分配机制图。
来源l多尺度力学
论文引用信息：
Xiyu Chen, Tiwen Lu, Ning Yao, Hongyu Chen, Binhan Sun, Yu Xie, Yufei Chen, Bingbing Wan, Xian-Cheng Zhang, Shan-Tung Tu,
Enhanced fatigue resistance and fatigue-induced substructures in an additively manufactured CoCrNi medium-entropy alloy treated by ultrasonic surface rolling process,International Journal of Plasticity,
Volume 169,2023,103721,ISSN 0749-6419,
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103721.
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