北工大&浙大IJP：原位研究IN718高温晶间滑移传递行为

一、【导读】

多晶高温合金的力学行为很大程度上由晶界控制。晶界上的滑移传递/阻塞行为直接影响晶界局部的位错堆积和裂纹萌生。考虑到镍基高温合金如Inconel 718（IN718）合金在高温下服役，因此原位研究高温下的晶界滑移传递行为，对进一步认识位错滑移对材料服役性能影响更有意义。

二、【成果掠影】

近日，北京工业大学和浙江大学张跃飞课题组，采用自主开发的原位高温力学测试系统，原位观察了IN718在650 ℃的微观塑性变形行为。基于连续分布位错力学理论和实验数据建立融合材料真实取向和微观结构的晶体塑性模型，定量研究了晶界滑移传递行为。研究发现准则比准则更敏感地反映通过滑移传递激活的滑移系，这表明在评估滑移传递实例时θ角比ψ角更重要。当ψ角小于35°时，准则对确定滑移传递激活的滑移系是敏感的。对于一般晶界，滑移传递倾向于发生在>0.83并且(1/b)<0.44，或者>0.82并且(1/b)<0.46；当>0.92或者>0.93时，具有持续的滑移传递行为。对于孪晶界，发生滑移传递的充要条件是≈0且Δb/b<0.6。先变形晶粒的应变强化作用提高相邻晶粒上的应力，从而促进了滑移传递，而良好的几何相容性为位错穿过晶界提供了通道。相关论文以题为“In-situ study of adjacent grains slip transfer of Inconel 718 during tensile process at high temperature”发表在International Journal of Plasticity。

三、【核心创新点】

1.采用自主开发的集成于SEM内的微型高温力学测试系统，原位观察了IN718在650 ℃的晶间滑移传递过程。

2.建立融合合金微观结构和晶格取向的CPFEM模型，并对其可靠性进行了验证。深入分析了位错-晶界相互作用对滑移传递的影响，建立了预测IN718高温塑性变形过程中晶间滑移传递的可靠准则。

四、【数据概览】

自主开发的原位高温拉伸设备，主要由拉伸台和加热器组成。测试装置在SEM中的布置如图1(a)所示。图1(b)为拉伸台夹具、样品、加热器位置关系截面图，其中拉伸台的左右夹具由多级减速传动系统驱动，实现中心对称双向拉伸，保证拉伸过程中观测的变形区域始终在SEM视场之内。加热器的加热芯与样品标距段微接触进行传导加热，K型热电偶与样品标距段下表面接触以测量温度。

图1 用于原位拉伸试验的样品制备和拉伸测试系统。(a)嵌入SEM腔室的原位高温拉伸台系统和(b)主要工作部分截面图。

图2 CPFEM建模过程。(a)兴趣区域的反极图。(b)晶界形貌。(c)欧拉角分布和(d)几何模型。模型考虑了IN718合金的实际微观形貌和晶格取向。

图3 EBSD图反映局部变形细节。(a)，(b)分别是在0%和1.43%应变时的KAM图。(c)，(d)分别是1.43%应变时的GND图和GROD图。GB1，GB2和GB3局部呈现不同的晶格转动和应力集中行为。

图4 原位SEM图用于分析滑移迹线。(a)-(f)是BC1、BC2和BC3试样分别在1.43%和7.25%应变时的SEM图。可以清晰的看到相邻晶粒中主要启动的滑移系是否在晶界出现几何对齐和晶界局部的形貌。

图5 工程应变7.25%时三个试样塑性滑移分布。(a–d)分别对应为G92的γ2、γ3和G61的γ11、γ9。(e–h) 分别对应为G57的γ4、γ7和G67的γ2、γ10。(i–l) 分别对应为G10的γ2、γ11和G9的γ2、γ10。用以说明相邻晶粒主要启动的滑移系的位错滑移在晶界是否具有连续性。

五、【成果启示】

本研究结合原位SEM技术和CPFEM定量研究了晶界滑移传递行为，深入分析了其潜在机制，建立了预测IN718高温变形晶界滑移传递的可靠标准。基于本文提供的方法和研究成果，可以基于合金变形前的EBSD信息，方便、快速的预测合金在塑性变形过程中相邻晶粒的滑移传递/阻塞行为。

六、【通讯作者简介】

北京工业大学吕俊霞副教授和浙江大学张跃飞教授为本文的共同通讯作者。

吕俊霞：主要从事激光增材制造钛合金、镍基高温合金组织调控与性能表征；主持国家和北京市自然科学基金、GF滚球体育 173计划等多个课题，在International Journal of Plasticity、Materials & Design、Materials Science & Engineering A等国内外期刊发表论文50余篇。

张跃飞：中国科协求是杰出青年滚球体育 成果转化奖获得者，北京市长城学者，美国麻省理工学院核科学与工程系访问学者，香港城市大学高级研究员；长期从事原位电子显微学相关方法和仪器开发，研究成果获国家自然科学二等奖、北京市科学技术奖一等奖、入选中国高等学校十大滚球体育 进展等。

原文详情：

Jutian Chen, Junxia Lu^*, Wang Cai, Yuefei Zhang^*, Yongfeng Wang, Wenxiang Jiang, Muhammad Rizwan, Ze Zhang, In-situ study of adjacent grains slip transfer of Inconel 718 during tensile process at high temperature, International Journal of Plasticity, 2023, 163: 103554.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641923000402

本文由Jutian Chen撰稿。