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González S, Sfikas A K, Kamnis S, et al. Computational and experimental investigation of the strain rate sensitivity of small punch testing of the high-entropy alloy CoCrFeMnNi[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 936: 168219.
González, Sergio, et al. "Computational and experimental investigation of the strain rate sensitivity of small punch testing of the high-entropy alloy CoCrFeMnNi." Journal of Alloys and Compounds 936 (2023): 168219.
González, S., Sfikas, A. K., Kamnis, S., John, S. E., Nye, Z. W., Spink, M., ... & Lancaster, R. J. (2023). Computational and experimental investigation of the strain rate sensitivity of small punch testing of the high-entropy alloy CoCrFeMnNi. Journal of Alloys and Compounds, 936, 168219.
背景简介
高熵合金(HEAs)是一种相对较新的金属材料类别，由于其高强度、硬度、耐腐蚀性和耐磨性等有利的性能组合，近年来引起了广泛关注。尽管HEAs具有较好的性能组合，但高熵合金的主要局限之一是其相对较高的成本。针对此类的新型合金，利用小冲杆（SP）测试是一种经济高效的材料测试方法。通过SP测试获得的力学性能中，包括拉伸、断裂、蠕变和疲劳，应变率敏感性(SRS)，其中SRS尤为重要，因为它提供了被测材料蠕变趋势以及其动态力学行为的信息。
本研究在0.2至2 mm∙min−1的位移速率范围内，通过小冲杆(SP)试验评估了CoCrFeMnNi高熵合金(HEA)应变率敏感性(SRS)的适用性。尽管存在吸铸引起的铸造缺陷，但对于使用小样本尺寸对昂贵材料的SRS进行低成本评估具有工业意义。
成果介绍
（1）通过小冲杆试验，计算了CoCrFeMnNi高熵合金的应变率敏感性(SRS)，以研究其力学性能的相关性。SRS表示为：
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小冲杆测试CoCrFeMnNi HEA样品在位移速率范围(0.2、0.5、2和10 mm∙min−1)下的力-挠度曲线如图1a所示。最大力(FMAX)随着位移速率的增加而增加，其FMAX从0.2 mm∙min−1时的约1300 N，在0.5 mm∙min−1时达到1630 N，至2 mm∙min−1时为1700 N，这归因于加工硬化行为。然而在10mm∙min−1时，FMAX下降到1200N，这与材料脆化程度有关，这种脆化程度对铸造缺陷的存在高度敏感，而铸造缺陷是在高的应变率下加工硬化产生，并可能导致过早失效。通过类似的测试条件 (0.5 mm∙min−1，室温)将CoCrFeMnNi HEA的力-挠度曲线(重复4次)与铝、铜、Ti-6Al-4V和不锈钢进行比较发现。CoCrFeMnNi HEA表现出良好的强度和延展性的性能组合（图1b），其性能接近不锈钢。同时其表现出类似的延展性，但强度高于铜和铝，并具有比钛合金Ti -6Al-4V更高的强度和延展性。
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图1 a) CoCrFeMnNi HEA在位移速率为0.2、0.5、2和10 mm∙min−1时的SP力-挠度曲线；(b) 在0.5 mm∙min−1位移速率下和商用铝、铜、Ti-6Al-4V和不锈钢上进行四次重复测试的小冲杆试验比较
（2）为了解不同应变速率下材料力学性能的变化，将Johnson-Cook本构模型应用于有限元模型。并对应变速率分别为0.2、0.5和2 mm∙min−1的SP试验进行了模拟，模拟结果与实验结果吻合较好（表1）。
表1拟合Johnson-Cook方程后提取的参数A、B、n和误差R2值
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为了计算SRS，推导出了LnFmaxExper与Lnε(图2a)和LnFmaxPred与Lnε的比值(图2b)。由实验结果可知，SRS值为m = 0.1387，相对于预测值m = 0.1313，SRS值略小。这些数值与纳米晶钛(m = 0.163)相似，虽然Ti的晶体结构是六方最密堆积（HCP），而对于Cantor合金，其为面心立方晶格（FCC）。因此，重要的是要考虑到m既取决于材料的晶粒尺寸，也取决于施加的应变速率。
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图2 (a)Ln-实验应力和(b)Ln-预测应力与Ln-应变率
（3）在SP试验中，实验和预测的SRS值并不相同，这是由于样品处于双轴应力状态，样品处于高应变条件下，因此机械性能对缺陷的存在更加敏感。为了进一步研究，进行了一系列纳米压痕测试，以生成硬度和压痕模量特性(图3)。研究通过纳米压痕应变速率跳跃试验(SRJ)研究了样品的压痕模量、硬度以及应变率敏感性。在压痕深度为0.05 s−1、0.005 s−1和0.001 s−1的情况下，每500 nm改变一次应变率。在压痕深度为2000 ~ 2200 nm的间隔内测量硬度和模量，使压痕尺寸效应最小化。在压痕深度为1500 nm的情况下，使用SRJ在0.05 s−1到0.001 s−1范围内测量SRS。在此压痕深度区间内，硬度为2.17±0.06 GPa，杨氏模量为184±8 GPa。
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图3 通过纳米压痕SRJ测试合金的硬度和模量与压痕深度的关系
（4）从SP测试样品的TEM图像(图4a)中，可以观察到厚度约0.3 μm、长度约50 nm的孪晶，它们彼此交叉并以45°的角度传播。这些短孪晶的大量存在表明它们在传播之前就被阻止，孪晶和晶界较大的相互作用(图4c)倾向于阻止孪晶传播。在材料承受双轴应力状态的情况下，SP试验会促进孪晶的形成，从而促进材料发生塑性变形，因此比在拉伸变形下观察到的特征更加明显。
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图4 在2 mm∙min−1条件下测试CoCrFeMnNi HEA冲床的TEM图像，直到(a)失效(b)剪切带(c)孪生(d) 孪晶和孪晶边界
致谢
感谢英国研究与创新(UKRI-IUK)国家资助机构的支持。项目授权：53662“基于混合实验的机器学习方法设计高熵高温合金:钢铁行业应用”。感谢Diamond Light Source对电子物理科学成像中心(仪器E01或/和E02和提案号MG28409)的使用和支持，该中心为介绍的结果做出了贡献。感谢德国研究基金会(DFG)在优先项目SPP2006中的资助，资助号为DU424/13-2。本文通讯作者：González S（Northumbria University, Newcastle upon Tyne NE1 8ST, UK）。
本期小编：王家兴（整理）
杨逸璠（校对）
程 航（审核）
闵 琳（发布）
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