[论文解读] Cyclic plasticity and fatigue damage of CrMnFeCoNi high entropy alloy fabricated by laser powder-bed fusion

Minsoo Jin, Alessandro Piglione+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

High Entropy Alloys Studies参考文献 34被引用 6

一句话总结

本研究探究了激光粉末床熔融成形的CrMnFeCoNi高熵合金中的循环塑性和疲劳损伤，结果表明位错滑移主导了循环塑性行为，而扫描策略通过晶粒结构显著影响裂纹扩展。采用0°旋转的之字形扫描策略因形成柱状晶粒并减少了裂纹路径上的晶界间距，从而表现出最高的抗疲劳性能。

ABSTRACT

The CrMnFeCoNi high-entropy alloy is highly printable and holds great potential for structural applications. However, no significant discussions on cyclic plasticity and fatigue damage in previous studies. This study provides significant insights into the link between print processes, solidification microstructure, cyclic plasticity and fatigue damage evolution in the alloy fabricated by laser powder bed fusion. Thermodynamics-based predictions (validated by scanning transmission electron microscopy (STEM) energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)) showed that Cr, Co and Fe partition to the core of the solidification cells, whilst Mn and Ni to the cell boundaries in all considered print parameters. Both dislocation slip and deformation twinning were found to be responsible for plastic deformation under monotonic loading. However, the former was found to be the single dominant mechanism for cyclic plasticity. The surface finish helped to substantially delay the crack initiation and cause lack-of-fusion porosity to be the main source of crack initiation. Most significantly, the scan strategies significantly affect grain arrangements and grain dimensions, leading to noticeable effects on fatigue crack propagation; in particular, the highest resistance crack propagation was seen in the meander scan strategy with 0° rotation thanks to the most columnar grains and the smallest spacing of grain boundaries along the crack propagation path.

研究动机与目标

• 理解激光粉末床熔融（LPBF）加工参数对CrMnFeCoNi高熵合金微观结构和力学响应的影响。
• 研究凝固微观结构在循环塑性和疲劳损伤演化中的作用。
• 识别在单向和循环加载下占主导地位的变形机制。
• 评估扫描策略对晶粒形态和疲劳裂纹扩展抗力的影响。
• 确定主要的裂纹源及其与表面质量及孔隙率的关系。

提出的方法

• 结合热力学模拟与扫描透射电子显微镜（STEM）能谱分析（EDX），分析凝固胞内元素分配行为。
• 进行单向拉伸试验，以识别主导的塑性变形机制（位错滑移与形变孪生）。
• 实施循环加载试验，以表征循环塑性和疲劳损伤演化行为。
• 系统性地改变激光扫描策略（如之字形、0°旋转）以评估其对晶粒结构和裂纹扩展的影响。
• 对裂纹源位置进行显微组织分析，重点关注表面质量与未熔合孔隙。
• 利用断口分析与电子背散射衍射（EBSD）数据，建立微观结构（晶粒取向、晶界间距）与疲劳性能之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 LPBF凝固过程中元素分配如何影响CrMnFeCoNi高熵合金的微观结构？
• RQ2 在LPBF成形的合金中，单向与循环加载下的主导塑性变形机制是什么？
• RQ3 不同的激光扫描策略如何影响LPBF成形合金的晶粒形态与晶界排列？
• RQ4 疲劳裂纹的主要起源是什么？表面质量如何影响裂纹起始？
• RQ5 沿裂纹路径的晶界间距如何影响疲劳裂纹扩展抗力？

主要发现

• Cr、Co和Fe偏析至凝固胞核心，而Mn和Ni富集于胞边界，该结果经STEM-EDX与热力学预测共同证实。
• 在循环加载下，位错滑移是主导机制；而在单向加载下，位错滑移与形变孪生共同作用。
• 表面质量显著延迟裂纹起始，因此未熔合孔隙是裂纹成核的主要来源。
• 采用0°旋转的之字形扫描策略形成最明显的柱状晶粒，并最小化裂纹路径上的晶界间距，从而实现最高的疲劳裂纹扩展抗力。
• 扫描策略诱导的晶粒排列与晶界间距对疲劳性能具有显著影响，其中0°之字形策略优于其他策略。
• 在晶粒呈对齐柱状结构且裂纹路径上横向晶界密度降低的微观组织中，疲劳裂纹扩展受到最大抑制。