多晶鎳基高溫合金最常用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪盤應用，因為它們具有出色的強度以及高溫下的抗氧化和耐腐蝕性。耐疲勞性是這些合金的另一個關鍵特性，因為渦輪盤部件會因反復的起飛著陸循環(huán)而經(jīng)歷顯著的應力波動。由于冶金缺陷含量極低，這些合金中疲勞微裂紋的萌生與微觀結構相關，并與亞晶應變局部化過程相關。在高度工程化、無缺陷的多晶鎳基高溫合金中，塑性應變以滑移帶的形式局部化。雖然許多帶在整個微觀結構中形成，但那些經(jīng)歷最強烈滑移位移的帶特別令人感興趣，因為它們被證明會在循環(huán)過程中進一步累積滑移，從而導致疲勞微裂紋的產(chǎn)生。最近對這些合金進行的實驗研究表明，臨界強度帶很可能在三結點 (TJ)（即三個晶界的一維交叉點）和特定的雙晶界附近形成。然而，人們對促進這些區(qū)域滑移帶形成的亞晶粒微觀力學知之甚少。

來自美國加州大學圣巴巴拉分校的學者使用三維（3D）晶體塑性有限元（CPFE）建模，高分辨率數(shù)字圖像相關（HR-DIC）和3D電子背散射衍射斷層掃描（3D EBSD）的組合，研究了輕度變形鎳基高溫合金IN718中數(shù)百個晶界三結（TJ）附近的早期滑移定位。3D 重建方法可以識別數(shù)以千計的 TJ 以及任何觀察到的滑帶與其樣本表面下方的原始 TJ 線的對應關系。本研究提出了實驗 3D 微觀結構的大型 CPFE 模型，該模型由 TJ 線和母粒邊界和內(nèi)部的高保真表示組成，并用它來計算宏觀開始時所有 TJ 的局部微觀機械響應和滑移活動屈服。計算量的統(tǒng)計分析表明，TJ 比晶粒內(nèi)部和晶界產(chǎn)生更大的應力集中和晶粒平均重新定向，但是在這些微觀結構區(qū)域之間沒有發(fā)現(xiàn)累積滑移的實質(zhì)性差異。本研究發(fā)現(xiàn)具有觀察到的滑移帶的 TJ 產(chǎn)生較低的晶粒平均重新定向、較少的活動滑移系統(tǒng)，以及在單個系統(tǒng)上比沒有滑移帶的TJ 產(chǎn)生更多的局部滑移。在經(jīng)歷更強烈滑動的 TJ 中，重新定向和滑動活動的區(qū)別更強。相關文章以“Slip localization behavior at triple junctions in nickel-base superalloys”標題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118801

圖 1. 從三結線發(fā)出的滑移帶的典型配置。

圖 2. 網(wǎng)格劃分過程的前后可視化。(a) 減少的 IN718 體素數(shù)據(jù)集的選定子集。(b) 具有光滑晶界表面的最終網(wǎng)格模型。(c, d) 所選晶粒的相應體素和網(wǎng)格表示。體素和網(wǎng)格元素根據(jù)沿加載方向的晶體取向著色。

圖 3. (a) 減少的 IN718 體素數(shù)據(jù)集的第一層和第二層表面顆粒深度的直方圖。虛線表示選定的子集深度。(b) 最終子集選擇的位置和維度。根據(jù)沿加載方向的晶體取向著色的晶粒。

圖 4. IN718 CPFE 模型的元素集：(a) 晶粒內(nèi)部，(b) 晶界，(c) 所有 3665個三重結。根據(jù)沿加載方向的晶體取向著色的網(wǎng)格元素。

圖 5. (a) von Mises 應力、(b) 累積滑移和 (c) GROD 的直方圖，用于晶粒內(nèi)部、邊界和三結點元素集。

圖 6.“Band”和“No-Band”元素標記方法的可視化說明。(a) 示例三聯(lián)結 (TJ) 由兩個表面可見的晶粒組成，每個晶粒都有一個從 TJ 線發(fā)出的帶。(b) 示例 TJ，其中所有三個晶粒都是表面可見的，但在任何晶粒中都沒有發(fā)現(xiàn)從 TJ 線發(fā)出的滑帶。

圖 7. (a, c, e)所有 Band 和 No-Band TJ 子區(qū)域和 (b, d, f) 具有高于平均水平的累積滑移的 TJ 子區(qū)域的 von Mises 應力、GROD 和活動滑移系統(tǒng)數(shù)量的直方圖在他們的主系統(tǒng)上，γ^primary >5 × 10⁻³。

圖 8. (a, c) 所有 Band 和 No-Band TJ 子區(qū)域和 (b, d) 在其主要系統(tǒng)上具有高于平均水平的累積滑移的 TJ 子區(qū)域的滑移優(yōu)勢和滑移率直方圖，γ^primary >5 × 10⁻³。

圖 9. 通過實驗和校準的 CPFE 模型測量的 IN718 的工程應力-應變曲線。

本研究結合滑帶的三維表征和同一三維微觀結構上的三維高保真微機械計算，以了解促進滑帶起始的微結構三結（TJ）特征?？紤]到起作用的多個變量及其統(tǒng)計變化，為了建立相關的相關性，本研究對數(shù)千個TJ進行分析。與微觀結構的其他特征（如晶粒內(nèi)部和邊界）相比，TJ表現(xiàn)出獨特的變形行為。此外，該模型預測TJ之間的局部微機械響應存在顯著差異，有和沒有實驗觀察到的三重線發(fā)出的滑帶。主要結論如下：

1. TJ 可能是局部滑移的來源，因為與晶粒內(nèi)部區(qū)域甚至晶界相比，它們平均產(chǎn)生更高的應力。

2. 晶粒內(nèi)部、邊界和 TJ 之間的總體累積滑移發(fā)展非常相似，不能解釋 TJ 處滑移定位的傾向。

3. 實驗觀察到產(chǎn)生滑移帶的 TJ 發(fā)展出較低的晶粒平均重新定向，并且與沒有觀察到的帶的那些相比，激活較少的滑移系統(tǒng)。這些 TJ 的活動滑動系統(tǒng)的數(shù)量大多是一個，不超過兩個。顯然，滑移帶最好在晶粒中形成，該晶粒在 TJ 及其整個體積中都在同一滑移系統(tǒng)上具有幾乎單一的滑移。

4.平均而言，觀察到滑移帶的 TJ 在一個滑移系統(tǒng)上比沒有滑移帶的 TJ 經(jīng)歷更多的局部滑移，這是通過總累積滑移的百分比（滑移優(yōu)勢）以及第一和第二活躍系統(tǒng)的相對累積滑移來衡量的（滑移率）。

5. 帶帶 TJ 和無帶帶 TJ 之間滑移活動的這些差異在那些經(jīng)歷高于平均水平的累積滑移的 TJ 中很明顯。