摘要

晶粒尺寸对Inconel超合金拉伸行为的影响，通过扫描电子显微镜（SEM）内的原位拉伸阶段，结合室温下的电子后散射衍射（EBSD）和数字图像相关性（DIC）来表征。进行了不同热处理下试样的微观结构演变和机械性能。原位拉伸试验表明，屈服强度、最终拉伸强度和截面的减少随着晶粒尺寸的增加而降低。一项现场EBSD研究表明，随着应力的增加，局部塑性变形变得更加不均匀。结合原位SEM形态演变、DIC应变分布和EBSD结果的分析表明，晶粒坐标变形。几何必要的位错（GND）密度取决于单个晶粒的晶粒大小和方向。协调变形能力随着晶粒尺寸的增加而下降。断裂形态学表明，随着晶粒尺寸的增加，断裂机制从韧性跨晶状断裂转变为脆性晶间-跨晶状混合断裂。

介绍

Inconel是一种基于镍-Cr-Fe的超合金，具有高机械性能、优异的耐腐蚀性和高温抗氧化性，使其广泛用于航空航天工业领域的关键部件，如涡轮盘、腔室和紧固件。微观结构，包括晶粒尺寸分布，夹杂物，纹理和双边界，强烈决定了镍基超合金的变形行为和机械性能。在这些微观结构中，晶粒尺寸是多晶超合金生产和应用的重要因素。一个方面是，晶粒细化是提高超合金机械性能的常见方法，另一个方面是镍基超合金已用于微成型工艺，对于微观尺度的零件或试样，其机械性能和断裂行为与宏观尺度明显不同，特别是当试样尺寸和晶粒尺寸之间的比率小于一定程度时。实现晶粒尺寸对变形行为和断裂机构的影响，不仅对改善Inconel等多晶超合金的服务性能有重大影响，还指导了制造和成型过程。

许多研究人员研究了晶粒尺寸对机械性能和断裂机制的影响。Lim等人研究了对EAZT合金板的晶粒尺寸效应，发现表现出晶粒尺寸依赖的屈服强度取决于霍尔-补丁关系。Liu等人在单轴拉伸试验下研究了Inconel超合金板在不同晶粒尺寸下的断裂行为，发现强度水平由临界样品厚度（t）与晶粒尺寸（d）的比率值划分为不同水平，此外，断裂表面上的酒窝和微空隙数量随着晶粒尺寸的增加而减少。Raulea等人发现，随着样品厚度颗粒数量的减少，屈服强度和最大负载会减少。Du等人研究了晶粒细化对镍基超合金机械性能的影响，发现KG超合金的拉伸性能随着晶粒尺寸的减小而增加，拉伸断裂模式从跨晶粒体转换为粒间。主要根据机械性能曲线和断裂形态对晶粒尺寸效应进行早期研究，近几十年来，引入了更先进的研究方法，如EBSD和同步辐射X射线层析成像，以研究晶粒尺寸对多晶金属变形和断裂机制的影响。Wei等人通过EBSD和SEM分析研究了晶粒尺寸对纯铼变形行为的影响，他报告说，非基底滑移是滑移，随着晶粒尺寸的减小，从非基底滑移到基底滑移主导流动的明显过渡。Shang等人使用SEM-EBSD分析结合晶体可塑性建模来研究晶粒尺寸对空隙进化和延展性断裂的影响，并发现密集分布空隙的聚结在细粒样品的断裂起始中占主导地位；对于具有粗粒粒的样品，单个大空隙的生长和聚结合对断裂发生至关重要。Zhu等人使用EBSD和原位同步辐射X射线断层扫描研究了晶粒尺寸对微拉伸变形和断裂行为的影响，结果表明，晶粒尺寸的增加诱发不均匀的塑性变形，晶间和跨晶间断裂共同控制断裂行为。虽然EBSD在测量晶格旋转和错位分布方面很强大，但它在反映部分应变演变方面具有局限性。作为一种非接触式测量方法，DIC适合且可靠地测量原位实验中的应变定位，并研究微观结构与塑性变形之间的关系。

虽然已经完成了大量关于晶粒尺寸对机械性能、变形和断裂机制影响的研究，但这些研究大多通过异地测试进行，但原位研究很少见。与现场调查相比，现场调查是后遗症分析。因此，对Inconel等多晶金属的晶粒效应的原位研究具有重大意义，因为它可以极大地研究不同特定载荷条件下的变形行为，并实时了解晶粒如何相互影响，从而深入了解整个载荷变形过程中晶粒尺寸对超合金的影响。

在目前的研究中，通过原位SEM-EBSD-DIC研究了粒度对Inconel超合金的影响。通过不同的热处理获得了不同粒度的Inconel标本。为了观察变形下的实时微观结构演变，并揭示晶粒尺寸对试样机械性能的影响，将一个自行开发的原位拉伸阶段放入SEM室。原位EBSD用于研究不同拉伸条件下的微观结构演变。DIC用于研究单个谷物中的菌株定位。拉伸试验后，用SEM对断裂表面进行了表征。根据实验结果，讨论了晶粒尺寸对机械性能、变形行为和失效机理的影响。这些结果对镍基超合金的生产和应用具有根本和技术意义。

章节片段

材料准备

本研究使用了Inconel合金的涡轮盘。超级合金的化学成分（wt.%）如表1所示。为了获得微张力试样，通过放电加工（EDM）将圆盘线切割成狗骨形几何形状，测量长度为1.5毫米，测量厚度为0.7毫米，测量宽度为1.5毫米，如图1所示。

研究晶粒尺寸对试样机械性能、微观结构演变、应变分布和断裂的影响

微观结构

图中通过反极图（IPF）图显示了经过不同热处理的细粒（FG）和粗粒（CG）拉伸试样的初始微观结构。3.试样的随机方向表明热处理消除了纹理，颗粒被等轴化。此外，可以观察到大量退火孪生微观结构。图3（c）和（d）显示了试样的平均晶粒尺寸分布，等效直径用于

相邻晶粒的旋转和协调变形的机制

之前的部分分析了具有各种平均晶粒尺寸的Inconel超合金标本的形态和微观结构演变，重点是拉伸变形下的过度变化。然而，宏观变化受到单个谷物联合作用的高度影响。微观结构演变过程表明，单个颗粒倾向于坐标变形。研究相邻晶粒的旋转和协调变形的机理和

结论

在这项研究中，研究了具有各种平均晶粒尺寸的Inconel试样的流动应力、应变定位、塑性变形和断裂机制。主要结论可以得出如下。

晶粒尺寸对机械性能有重大影响。YS、UTS和截面的减少随着平均晶粒尺寸的增加而减少。CG试样的塑性变形比FG试样更不均匀，这与更一致。