IC10合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶本構(gòu)行為研究

張宏建 溫衛(wèi)東,2 崔海濤 肖健峰

1.南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，2100162.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京，210016

IC10合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶本構(gòu)行為研究

張宏建1溫衛(wèi)東1,2崔海濤1肖健峰1

1.南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，2100162.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京，210016

對IC10合金在1073～1373 K范圍內(nèi)、不同應(yīng)變率下開展了拉伸試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：IC10合金在1073 K附近表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)回復(fù)力學(xué)特征，在1173～1373 K范圍內(nèi)則表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征。通過透射電子顯微鏡對試驗(yàn)樣品進(jìn)行觀察，研究了IC10合金變形機(jī)理，結(jié)果表明，在1073～1373 K范圍內(nèi)，IC10合金變形過程中螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)可動(dòng)性相當(dāng)，并在γ′相邊界逐步形成一些胞狀亞晶結(jié)構(gòu)。最后，將工程中應(yīng)用廣泛的Sellars模型應(yīng)用于描述IC10合金在1073～1373 K范圍內(nèi)、不同應(yīng)變率下的力學(xué)行為，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的平均相對誤差值不超過5%。

IC10合金；動(dòng)態(tài)回復(fù)；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；本構(gòu)模型；細(xì)觀機(jī)理

0 引言

為滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高推重比、高增壓比和高渦輪前溫度的“三高”要求，必須使用耐高溫、抗氧化、比強(qiáng)度和比剛度更高的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。Ni3Al基金屬間化合物具有比剛度高、強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高以及在較大溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的抗氧化和抗蠕變等性能優(yōu)點(diǎn)，作為高溫材料得到了廣泛的研究[1]。IC10合金是典型的Ni3Al基合金，并作為渦輪導(dǎo)向葉片材料在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。迄今為止，對IC10合金的研究主要集中在屈服反常溫度范圍內(nèi)研究其力學(xué)性能及本構(gòu)模型[2-7]、疲勞性能[8]、焊接性能[9]等，對其在超過屈服反常溫度范圍后的動(dòng)態(tài)回復(fù)行為和再結(jié)晶行為的研究比較少。

材料發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)或再結(jié)晶時(shí)，其力學(xué)特性與屈服硬化范圍有很大的差別，如具有較高的應(yīng)變率敏感性和溫度敏感性等。IC10合金的使用溫度很高，因此非常有必要對其在高溫下開展動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶行為的研究。本文對IC10合金在1073～1373 K范圍內(nèi)、不同應(yīng)變率下進(jìn)行應(yīng)變率控制拉伸試驗(yàn)以研究其動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶行為，并運(yùn)用透射電子顯微鏡(TEM)觀察研究其細(xì)觀變形機(jī)理，最后運(yùn)用考慮動(dòng)態(tài)軟化的宏觀模型來描述其動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶行為。

1 試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為中國航空材料研究院研制的IC10合金，它是以Ni3Al為基的定向凝固合金材料。試驗(yàn)用試棒嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4338-1995設(shè)計(jì)，其工作段長度為50 mm。

根據(jù)試驗(yàn)采集的時(shí)間、載荷、標(biāo)距段位移、名義應(yīng)力和名義應(yīng)變等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，IC10合金的真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變值可通過如下公式計(jì)算獲得：

σ=F/A

(1)

ε=ln(l/l0)

(2)

式中，σ為真應(yīng)力；ε為真應(yīng)變；F為外載荷；A為瞬時(shí)截面積；l為引伸計(jì)瞬時(shí)標(biāo)距段長度；l0為引伸計(jì)初始標(biāo)距段長度。

為研究IC10合金的細(xì)觀變形機(jī)理，本文運(yùn)用JEM-2010分析透射電子顯微鏡對變形后的IC10合金進(jìn)行位錯(cuò)觀察研究。試驗(yàn)樣品的制樣過程為:先從拉斷后的試驗(yàn)件的斷裂處取厚度約0.2 mm的樣片，再用200號砂紙磨樣片至厚約0.1 mm，然后用400號和800號砂紙細(xì)磨到厚度在30～50 μm范圍內(nèi)，最后用雙噴電解減薄儀對樣品進(jìn)行減薄處理，得到薄膜樣品以供觀察研究。

1.2試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖1所示為溫度為1073～1373 K、應(yīng)變率為10-4～10-2s-1的σ-ε曲線。從圖中可以看出，在1073 K附近IC10合金表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)回復(fù)特征：①σ-ε曲線包括應(yīng)變初期的應(yīng)變硬化和隨后的應(yīng)力飽和兩個(gè)階段。②σ-ε曲線的應(yīng)變率敏感性較高，當(dāng)減小應(yīng)變率時(shí)，硬化段長度變短，但其硬化率和應(yīng)力值均增大，應(yīng)力更易趨于飽和狀態(tài)，但飽和應(yīng)力值有所減小。而在1173～1373 K范圍內(nèi)，IC10合金表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征：①σ-ε曲線主要包括應(yīng)變初期的應(yīng)變硬化和隨后的應(yīng)變軟化兩個(gè)階段；②σ-ε曲線的應(yīng)變率敏感性非常高，當(dāng)增大應(yīng)變率時(shí)，應(yīng)力值顯著增大，硬化率和軟化率均明顯增大；③σ-ε曲線的溫度敏感性也非常高，當(dāng)升高溫度時(shí)，硬化段長度顯著減小(即發(fā)生硬化向軟化轉(zhuǎn)化時(shí)的臨界應(yīng)變值減小)，應(yīng)力值大幅減小，每100 K減小幅度范圍為30%～40%；④1173～1373 K范圍內(nèi)IC10合金的延伸率隨溫度升高而大幅增大，在1373K時(shí)超過25%。

(a)T=1073 K

(b)T=1173 K

(c)T=1273 K

(d)T=1373 K圖1 不同溫度、應(yīng)變率下的σ-ε曲線Fig.1 σ-ε curves at different temperatures and strain rates

(a)未變形

(b)1273 K變形后

(c)1373 K變形后圖2 IC10合金的初始金相組織和1273 K、1373 K下變形后的金相組織圖Fig.2 Initial metallographic structure and the metallographic structures after deformed at 1273 K and 1373 K of alloy IC10

圖2分別為IC10合金未變形時(shí)的初始金相組織圖和在1273 K、1373 K下變形后的金相組織圖，可以看出：①IC10合金未變形時(shí)的初始金相組織(圖2a)中，晶界不規(guī)則且模糊不清晰；②在1273 K下變形后的金相組織(圖2b)中，晶界附近出現(xiàn)少量的細(xì)小再結(jié)晶晶粒(圖中箭頭所示)，使得晶界變得清晰，晶界呈現(xiàn)出鋸齒狀；③在1373 K下變形后的金相組織(圖2c)中，晶界附近出現(xiàn)了更多的細(xì)小再結(jié)晶晶粒(圖中箭頭所示)，晶界變得清晰且趨向平直。以上試驗(yàn)結(jié)果說明，IC10合金的變形組織在1173～1373 K范圍內(nèi)對溫度非常敏感，這是由于當(dāng)溫度不超過γ′相的溶解溫度(1433 K)時(shí)，γ′相的存在會(huì)抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)展，變形溫度越低，γ′相的抑制效果越明顯，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越難發(fā)展，這是IC10合金在1373 K下變形后的再結(jié)晶程度明顯高于在1273 K下變形后的再結(jié)晶程度的原因。

(a)T=1173

(a)T=1173 圖3 IC10合金在1173 K下的位錯(cuò)組態(tài)明場圖Fig.3 Typical bright-field images of dislocation structures of IC10 at 1173 K

為研究1073～1373 K范圍內(nèi)IC10合金的變形機(jī)理，本文從1173 K下變形的拉伸試棒中取樣，并制成厚度為30～50 μm的薄膜樣品進(jìn)行TEM觀察研究。圖3為IC10合金的位錯(cuò)組態(tài)明場圖。由圖3可以看出：①IC10合金的微結(jié)構(gòu)中除觀察到螺型位錯(cuò)外，還觀察到與螺型位錯(cuò)數(shù)量相當(dāng)?shù)娜行臀诲e(cuò)，這說明溫度超過屈服反常范圍后，螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)的可動(dòng)性相當(dāng)；②在γ相中位錯(cuò)相互交結(jié)，形成了很多網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一定數(shù)量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在γ相中形成了滑移帶，并向γ′相中逐步滲透，從γ′相邊界逐步向內(nèi)形成胞狀亞晶結(jié)構(gòu)。胞狀結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象的重要特征之一，在較小的變形情況下，材料內(nèi)的位錯(cuò)基本處于無規(guī)則分布狀態(tài)，隨變形量的增大，位錯(cuò)將大量增殖，材料內(nèi)將出現(xiàn)一定數(shù)量的胞狀結(jié)構(gòu)，胞內(nèi)部的位錯(cuò)密度較小，而胞壁上位錯(cuò)密度非常高。

基于以上試驗(yàn)觀察，IC10合金的宏觀σ-ε曲線特征可從變形機(jī)理方面進(jìn)行如下解釋：①當(dāng)應(yīng)力值小于臨界應(yīng)力值σR(或變形未達(dá)臨界應(yīng)變?chǔ)臨，位錯(cuò)密度低于臨界位錯(cuò)密度ρR)時(shí)，材料宏觀上主要表現(xiàn)為硬化行為，這對應(yīng)著σ-ε曲線上在小應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力值隨應(yīng)變的增大而上升這一階段；②隨著變形的進(jìn)一步進(jìn)行，位錯(cuò)密度逐漸增大，應(yīng)力也將增大，當(dāng)超過臨界值時(shí)，材料內(nèi)部逐漸出現(xiàn)再結(jié)晶行為，形成胞體結(jié)構(gòu)，該過程會(huì)使位錯(cuò)發(fā)生湮滅，從而造成可動(dòng)位錯(cuò)密度下降，這對應(yīng)著宏觀應(yīng)力的降低；③當(dāng)變形程度很高時(shí)，位錯(cuò)密度增長率與再結(jié)晶行為程中可動(dòng)位錯(cuò)密度的消耗率相抵時(shí)，在宏觀上表現(xiàn)為材料的應(yīng)力變化不大，為飽和狀態(tài)。

在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段，隨著應(yīng)變率的減小，材料發(fā)生再結(jié)晶行為將更充分，由于在再結(jié)晶形成胞體結(jié)構(gòu)的過程中，會(huì)使位錯(cuò)相互抵消，大大降低了可動(dòng)位錯(cuò)密度，相應(yīng)地使得材料的宏觀應(yīng)力值減小，這解釋了在宏觀上材料的應(yīng)力值隨應(yīng)變率減小而顯著減小的原因。

2 動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶行為的模擬

2.1本構(gòu)模型的建立

動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶行為變形機(jī)理復(fù)雜，目前還沒有嚴(yán)格物理意義上的理論模型，工程中關(guān)于描述這類力學(xué)行為的本構(gòu)模型主要有兩類：一類是加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶兩階段模型[10-12]；另外一類是基于Sellars蠕變方程的模型[13-14]，該模型具有簡單、易于使用的特點(diǎn)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[15-16]，本文將Sellars模型應(yīng)用于描述IC10合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶力學(xué)行為。該模型的基本方程如下：

σ=σe-Δσ

(3)

σe=σp[1-exp(-cε)]m

(4)

(5)

式中，σe為外推邊界應(yīng)力；Δσ為由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所導(dǎo)致的應(yīng)力軟化項(xiàng)；σp為峰值應(yīng)力；σs為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力；εp為峰值應(yīng)變；c、m、k、α和m′為材料常數(shù)。

該模型參數(shù)可通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

圖4 Sellars模型的曲線示意圖Fig.4 Schematic diagram of Sellars model

由圖4可以看出，模型在σp=σs(即Δσ=0)時(shí)可退化為式(4)，這說明該模型可以統(tǒng)一地用于描述動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。

2.2本構(gòu)模型在IC10合金中的應(yīng)用

本節(jié)將運(yùn)用Sellars模型對IC10合金在溫度為1073～1373 K、應(yīng)變率在10-2～10-4s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶力學(xué)行為進(jìn)行預(yù)測描述。

表1為溫度為1073～1373 K、應(yīng)變率為10-2～10-3s-1時(shí) IC10合金的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)值表，依據(jù)此表中的數(shù)值和各條件下的IC10合金的σ-ε曲線，對模型中的參數(shù)c、m、k、α和m′運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行擬合，其值如表2所示。

表1 IC10合金在1073～1373 K內(nèi)的力學(xué)性能參數(shù)

表2 模型中的參數(shù)值

圖5為運(yùn)用Sellars模型對IC10合金在1073 K、不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)回復(fù)曲線進(jìn)行擬合所獲得的曲線與試驗(yàn)曲線的比較圖。圖6為運(yùn)用該模型對IC10合金在1173～1373 K、10-2～10-4s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶擬合曲線與試驗(yàn)曲線的比較圖。從圖中可以看出，Sellars模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。表3列出了該模型擬合值與試驗(yàn)值之間的平均相對誤差，可以看出擬合值與試驗(yàn)值之間的最大相對誤差值不超過5%，這表明該模型可以較準(zhǔn)確地描述IC10合金在1073～1373 K范圍內(nèi)、應(yīng)變率在10-2～10-4s-1范圍內(nèi)的流變行為。

(a)T=1073

(b)T=1073

(c)T=1073 圖5 T=1073 K、不同應(yīng)變率下IC10合金的擬合曲線與試驗(yàn)曲線比較Fig.5 Comparisons between the fitted and experimental curves of alloy IC10 at 1073 K and different strain rates

3 結(jié)論

(1)IC10合金在1073 K下表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)回復(fù)特征，而在1173～1373 K范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征。

(2)采用Sellars模型對IC10合金在1073～1373 K范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶力學(xué)行為進(jìn)行了預(yù)測，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，模型的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合非常好，最大相對誤差值不超過5%。

(a)T=1173 K

(b)T=1273 K

(c)T=1373 K試驗(yàn)值預(yù)測值試驗(yàn)值預(yù)測值試驗(yàn)值預(yù)測值圖6 溫度為1173 K、1273 K、1373 K時(shí)不同應(yīng)變率下IC10合金的擬合曲線與試驗(yàn)曲線比較圖Fig.6 Comparisons between the fitted and experimental curves of alloy IC10 at different strain rates and the temperature at 1173 K，1273 K，1373 K

表3 擬合值與試驗(yàn)值的平均相對誤差值

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(編輯胡佳慧)

StudyonDynamicRecovery/RecrystallizationConstitutiveBehaviorsofAlloyIC10

ZHANG Hongjian1WEN Weidong1,2CUI Haitao1XIAO Jianfeng1
1.Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

Various tensile experiments were conducted over the temperature range of 1073～1373 K at different strain rates. Experimental results show: dynamic recovery is the dominate behavior at 1073 K, and the dominate behavior over the temperature range of 1173～1373 K is dynamic recrystallization. The behavior mechanism was studied by transmission electron microscope(TEM) tests. And the observation results show: there are both edge and screw dislocations on the cube plane, and these dislocations have a tendency to form the subgrains at the interphase boundaries of γ′, which is the dominate mechanism of recrystallization behaviors. At last, Sellars model, a most widely used macro constitutive model, was used to predict the flow behaviors of alloy IC10 over the temperature ranges from 1073 to 1373 K and under different strain rates. The predicted data fits well with the experimental ones, and the average relative errors at various conditions are less than 5%.

alloy IC10; dynamic recovery; dynamic recrystallization; constitutive equation; micro mechanism

2016-11-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205190)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NS2016026)

TB35;V252

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.18.017

張宏建，男，1980年生。南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)高溫材料的本構(gòu)模型，疲勞和壽命預(yù)測，先進(jìn)復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度、疲勞失效和壽命預(yù)測，先進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。發(fā)表論文30余篇。E-mail：zhanghongjian@nuaa.edu.cn。溫衛(wèi)東，男，1958年生。南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院教授。崔海濤，男，1971年生。南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院院長、教授。肖健峰，男，1989年生。南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院博士研究生。