北工大&浙大IJP：原位研究IN718高溫晶間滑移傳遞行為

一、【導讀】

多晶高溫合金的力學行為很大程度上由晶界控制。晶界上的滑移傳遞/阻塞行為直接影響晶界局部的位錯堆積和裂紋萌生。考慮到鎳基高溫合金如Inconel?718（IN718）合金在高溫下服役，因此原位研究高溫下的晶界滑移傳遞行為，對進一步認識位錯滑移對材料服役性能影響更有意義。

二、【成果掠影】

近日，北京工業大學和浙江大學張躍飛課題組，采用自主開發的原位高溫力學測試系統，原位觀察了IN718在650 ℃的微觀塑性變形行為。基于連續分布位錯力學理論和實驗數據建立融合材料真實取向和微觀結構的晶體塑性模型，定量研究了晶界滑移傳遞行為。研究發現準則比準則更敏感地反映通過滑移傳遞激活的滑移系，這表明在評估滑移傳遞實例時θ角比ψ角更重要。當ψ角小于35°時，準則對確定滑移傳遞激活的滑移系是敏感的。對于一般晶界，滑移傳遞傾向于發生在>0.83并且(1/b)<0.44，或者>0.82并且(1/b)<0.46；當>0.92或者>0.93時，具有持續的滑移傳遞行為。對于孿晶界，發生滑移傳遞的充要條件是≈0且Δb/b<0.6。先變形晶粒的應變強化作用提高相鄰晶粒上的應力，從而促進了滑移傳遞，而良好的幾何相容性為位錯穿過晶界提供了通道。相關論文以題為“In-situ study of adjacent grains slip transfer of Inconel 718 during ?tensile process at high temperature”發表在International?Journal?of?Plasticity。

三、【核心創新點】

1.采用自主開發的集成于SEM內的微型高溫力學測試系統，原位觀察了IN718在650 ℃的晶間滑移傳遞過程。

2.建立融合合金微觀結構和晶格取向的CPFEM模型，并對其可靠性進行了驗證。深入分析了位錯-晶界相互作用對滑移傳遞的影響，建立了預測IN718高溫塑性變形過程中晶間滑移傳遞的可靠準則。

四、【數據概覽】

自主開發的原位高溫拉伸設備，主要由拉伸臺和加熱器組成。測試裝置在SEM中的布置如圖1(a)所示。圖1(b)為拉伸臺夾具、樣品、加熱器位置關系截面圖，其中拉伸臺的左右夾具由多級減速傳動系統驅動，實現中心對稱雙向拉伸，保證拉伸過程中觀測的變形區域始終在SEM視場之內。加熱器的加熱芯與樣品標距段微接觸進行傳導加熱，K型熱電偶與樣品標距段下表面接觸以測量溫度。?

圖1 用于原位拉伸試驗的樣品制備和拉伸測試系統。(a)嵌入SEM腔室的原位高溫拉伸臺系統和(b)主要工作部分截面圖。

圖2?CPFEM建模過程。(a)興趣區域的反極圖。(b)晶界形貌。(c)歐拉角分布和(d)幾何模型。模型考慮了IN718合金的實際微觀形貌和晶格取向。

圖3 EBSD圖反映局部變形細節。(a)，(b)分別是在0%和1.43%應變時的KAM圖。(c)，(d)分別是1.43%應變時的GND圖和GROD圖。GB1，GB2和GB3局部呈現不同的晶格轉動和應力集中行為。

圖4?原位SEM圖用于分析滑移跡線。(a)-(f)是BC1、BC2和BC3試樣分別在1.43%和7.25%應變時的SEM圖。可以清晰的看到相鄰晶粒中主要啟動的滑移系是否在晶界出現幾何對齊和晶界局部的形貌。

圖5?工程應變7.25%時三個試樣塑性滑移分布。(a–d)分別對應為G92的γ2、γ3和G61的γ11、γ9。(e–h) 分別對應為G57的γ4、γ7和G67的γ2、γ10。(i–l) 分別對應為G10的γ2、γ11和G9的γ2、γ10。用以說明相鄰晶粒主要啟動的滑移系的位錯滑移在晶界是否具有連續性。

五、【成果啟示】

本研究結合原位SEM技術和CPFEM定量研究了晶界滑移傳遞行為，深入分析了其潛在機制，建立了預測IN718高溫變形晶界滑移傳遞的可靠標準。基于本文提供的方法和研究成果，可以基于合金變形前的EBSD信息，方便、快速的預測合金在塑性變形過程中相鄰晶粒的滑移傳遞/阻塞行為。

六、【通訊作者簡介】

北京工業大學呂俊霞副教授和浙江大學張躍飛教授為本文的共同通訊作者。

呂俊霞：主要從事激光增材制造鈦合金、鎳基高溫合金組織調控與性能表征；主持國家和北京市自然科學基金、GF科技173計劃等多個課題，在International?Journal?of?Plasticity、Materials & Design、Materials Science & Engineering A等國內外期刊發表論文50余篇。

張躍飛：中國科協求是杰出青年科技成果轉化獎獲得者，北京市長城學者，美國麻省理工學院核科學與工程系訪問學者，香港城市大學高級研究員；長期從事原位電子顯微學相關方法和儀器開發，研究成果獲國家自然科學二等獎、北京市科學技術獎一等獎、入選中國高等學校十大科技進展等。

原文詳情：

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。