不同激光焊接方法下高熵合金与不锈钢在室温和低温条件下的力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical properties of dissimilar laser welding of high-entropy alloy to stainless steel at room and cryogenic temperatures

FeCoCrNiMn高熵合金与304不锈钢激光焊接接头在298K和77K下的力学性能研究表明，低温下接头抗拉强度提升73%，断裂延伸率增加94%，主要归因于FZ中孪晶变形的激活。冲击韧性和断裂韧性随温度降低而下降，与晶界滑移主导的局部塑性变形减少有关。微观分析显示，77K时FZ孪晶界占比达8.17%，而低角晶界在298K时更为显著。

　　本研究围绕FeCoCrNiMn高熵合金与304不锈钢之间的异种金属焊接接头在低温环境下的机械性能展开。FeCoCrNiMn高熵合金因其在低温下表现出优异的机械性能，成为在极端低温环境中具有广泛应用前景的材料。然而，目前对于这类焊接接头在低温下的力学行为，尤其是韧性方面的研究仍较为有限。因此，本研究通过系统分析焊接接头在常温（298 K）和液氮温度（77 K）下的拉伸性能、冲击韧性以及断裂韧性，旨在揭示其在低温条件下的行为特征，为相关工程应用提供理论依据。

在常温条件下，焊接接头的拉伸强度为506 ± 27 MPa，断裂伸长率为9.9 ± 1.2%。而在液氮温度下，拉伸强度显著提升至875 ± 21 MPa，断裂伸长率也增加至19.2 ± 1.0%。这种拉伸强度的显著增长以及断裂伸长率的大幅提高表明，FeCoCrNiMn合金与304不锈钢的焊接接头在低温下表现出更优异的力学性能。值得注意的是，拉伸过程中在液氮温度下观察到大量的孪晶边界（TBs），这些孪晶边界的存在对拉伸曲线中的工作硬化阶段（特别是第二阶段）起到了关键作用。相反，在常温条件下，焊接接头中孪晶变形的出现频率较低，这可能与低温下材料的变形机制不同有关。

为了进一步分析焊接接头的变形行为，研究采用了数字图像相关（DIC）技术进行原位拉伸测试。结果显示，在拉伸过程中，焊接接头的塑性变形主要集中在熔合区（FZ），而两个基体金属（BMs）的变形程度较低。此外，FZ附近的FeCoCrNiMn合金侧表现出更高的主应变值，这表明FZ在低温下具有更强的变形能力。尽管在液氮温度下，焊接接头的断裂韧性有所下降，但其仍展现出一定的韧性，尤其是通过KAM（晶格畸变度）图的分析，发现FZ在低温下表现出更高的晶格畸变度，这可能与低温下更活跃的位错滑移和孪晶变形有关。

冲击韧性测试的结果也表明，焊接接头在液氮温度下的韧性明显低于常温条件。在298 K时，FZ的冲击韧性为45.5 ± 15.3 J/cm2，而在77 K时下降至25.7 ± 4.7 J/cm2。同时，裂纹尖端张开位移（CTOD）也呈现类似趋势，表明低温环境下FZ的韧性有所减弱。通过扫描电镜（SEM）观察，FZ在液氮温度下的断裂表面呈现出更小且更深的凹坑结构，这说明低温下的韧性表现不如常温条件。然而，研究还发现，在液氮温度下，FZ中出现了更多的低角度晶界（LAGBs），这可能是由于低温下位错滑移的增强导致的。此外，研究通过电子背散射衍射（EBSD）技术分析了FZ的微观结构，发现低温下晶界密度和分布的变化对材料的力学性能具有重要影响。

在断裂韧性方面，研究采用了带缺口三点弯曲测试（notched three-point bending test），结果显示FZ在液氮温度下的断裂韧性明显低于常温条件。在298 K时，CTOD值为0.87 mm，而在77 K时下降至0.34 mm。这一结果表明，低温环境对焊接接头的韧性具有不利影响。然而，研究也发现，在液氮温度下，FZ的裂纹扩展路径呈现出更为均匀的晶界分布，这可能对裂纹的扩展产生一定的抑制作用。

进一步分析表明，FZ的微观结构在低温下表现出显著变化。通过EDS（能谱分析）技术，研究发现FZ的元素分布与原始的FeCoCrNiMn高熵合金有所不同，主要因为基体金属的熔化和混合导致了元素的重新分布。FZ中的Fe和Cr含量较高，而其他元素如Co、Ni和Mn的含量则相对较低。这种元素分布的不均匀性可能对焊接接头的性能产生影响，特别是在低温条件下，由于元素分布的不均匀性，FZ的韧性可能受到限制。

此外，研究还发现FZ的晶粒尺寸在低温下有所变化。靠近FeCoCrNiMn合金侧的FZ晶粒较大，而靠近304不锈钢侧的FZ晶粒则相对较小。这种晶粒尺寸的差异可能与焊接过程中热传导特性的不同有关。研究进一步指出，FZ的硬度低于两个基体金属，这可能是由于晶粒粗大和元素分布不均所导致。然而，这种硬度的降低对焊接接头的延展性和韧性反而起到了积极作用。

研究还探讨了焊接接头在低温下的变形机制，包括孪晶变形和位错滑移。在液氮温度下，孪晶变形的激活程度显著增加，这可能是由于低温环境下位错滑移的阻力增加，从而促使材料通过孪晶变形来实现塑性变形。同时，位错滑移在低温下也表现出一定的活跃性，这可能与位错密度的增加有关。然而，由于低温抑制了热激活过程，导致位错滑移和攀移的效率降低，从而对韧性产生不利影响。

研究还指出，焊接接头的韧性表现与其变形机制密切相关。在冲击和CTOD测试中，FZ的韧性下降趋势明显，而拉伸测试中则表现出一定的韧性提升。这种差异可能与测试过程中能量的消耗方式不同有关。在拉伸测试中，大部分能量用于塑性变形，而在冲击和CTOD测试中，大量能量被消耗在裂纹的萌生和扩展过程中。因此，低温下的裂纹扩展速度加快，导致FZ的韧性下降。

通过综合分析实验数据，研究认为，FeCoCrNiMn高熵合金与304不锈钢的焊接接头在低温下表现出不同的力学行为。尽管拉伸强度显著提升，但韧性有所下降。这表明，在低温应用中，需要更加关注焊接接头的韧性问题，而不仅仅是强度。因此，未来的研究可以聚焦于如何优化FZ的化学成分和微观结构，以提高其低温下的韧性表现。此外，研究还建议，通过选择适当的填充材料，可以改善FZ的性能，从而增强焊接接头在低温环境下的适用性。

总的来说，本研究通过系统实验和微观结构分析，揭示了FeCoCrNiMn高熵合金与304不锈钢焊接接头在低温下的机械性能变化规律。这些发现为低温环境下异种金属焊接接头的性能评估和优化提供了重要的实验依据，同时也为未来相关领域的研究方向提供了参考。