Scripta Mater.：镍基高温合金γ′相的变形机制

镍基高温合金中存在于晶界上的具有有序结构的γ′沉淀通常被认为是不可变形的，并且可以限制热变形过程中的晶粒生长。西安交通大学的Zhang等使用透射电子显微镜分析和分子动力学模拟证明这些沉淀相也会发生变形，并由1/6<112>Shockley不全位错剪切机制控制。分子动力学模拟进一步表明，在单轴拉伸试验下，触发γ′塑性变形的所有临界应变都非常低，并取决于变形温度和应变率。

室温下断裂拉伸样品（应变约0.27）中γ′的TEM表征如图1所示。堆叠层错（SF）和1/6<112>不全位错位错的存在清楚地表明了沉淀相的塑性变形。据作者所知，以前没有报道证明室温下γ′的形变。通常认为高度约束的微观结构和有限的滑移系统（仅<110>{111}）阻碍了γ′的室温变形。

图1 （a）室温拉伸至破坏后γ′沉淀的TEM表征。（b）（a）中局部区域的放大视图，（c）堆垛层错的高分辨率TEM图像，（d）显示位错和堆垛层错细节的傅里叶逆变换图。

为了进一步了解γ′沉淀的变形机制，使用分子动力学（MD）模拟研究了单轴拉伸变形下的微结构演。具有嵌入多晶γ基质中的有序结构的γ′的初始模型如图2（a）所示。图2（b）显示了室温（300 K）下拉伸试验的模拟过程，应变率为0.001 ps⁻¹。随着应变的进行，1/2<110>全位错在沉淀边界堆积，并解离成1/6<112>Shockley不全位错。当应变进一步增加到0.028时，Shockley不全位错从边界发射到γ′沉淀中。同时，通过面心立方（FCC）γ基体的Shockley不全位错产生了两个原子层的六方紧密堆积（HCP）层错。不全位错和层错是γ′沉淀中的主要变形亚结构。这些MD模拟结果很好地再现了通过对冷变形和热变形样品的分析观察到的子结构的演变。

图2 （a）弛豫后具有有序L12结构的γ′沉淀的初始模型（原子排列、晶体结构和位错分布），（b）300K下不同拉伸应变时的微观结构。

在300K和700K下模拟了不同（独立）应变率下的几个单轴拉伸试验，以确定γ′沉淀塑性变形的临界应变，即不全位错发射到γ′时的应变。如图3所示，随着应变率的增加和变形温度的降低，临界应变略有增加。临界应变的波动可归因于应变率引起的储能变化以及温度对滑移机制的影响。

图3 300K和700K不同应变率下γ′沉淀塑性变形的模拟临界应变。

 相关研究成果以“Deformation mechanisms of primary γ′ precipitates in nickel-based superalloy”为题发表在Scripta Materialia（Volume 224,2023,115109)上，作者第一作者为Hongkai Zhang，通讯作者为Ke Huang。  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115109