背景简介

镍基合金因其优异的高温强度和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天和核工业等关键领域。其中，Alloy 690作为一种固溶强化镍基合金，常用于压水堆蒸汽发生器传热管等重要服役部件。由于该类材料的塑性变形受位错形核、滑移、晶体取向以及宏观加载路径共同控制，仅依赖传统Schmid定律难以准确描述其拉压不对称屈服行为。已有研究表明，非滑移方向应力分量会影响位错形核与滑移启动过程，从而导致拉伸与压缩条件下不同的屈服响应。针对这一问题，本文结合分子动力学模拟、晶体塑性有限元分析和室温准静态拉压实验，系统研究了固溶强化镍基Alloy 690中的非Schmid效应。研究重点在于从原子尺度识别拉压不对称屈服的物理来源，并将原子尺度获得的非Schmid参数和位错滑移激活能传递到晶体塑性模型中，从而建立面向宏观力学响应预测的多尺度建模框架。

成果介绍

（1）该研究的组织表征结果显示，经过1093°C/1.5 h均质化与后续时效处理后，LPBF 718中原始的元素偏析基本被消除，但由增材制造形成的柱状晶和高角度晶界结构仍然保留了下来。该研究采用水平取样方式，即试样轴向垂直于成形方向，并对试样进行了如下热处理：1093°C保温1.5 h后空冷，随后718°C保温8 h，再以55°C/h炉冷至621°C保温8 h，最后空冷。图1给出了上述热处理后LPBF 718合金的EBSD表征结果。结果表明，热处理后低角度胞状结构中的元素偏析明显减弱，但仍可观察到柱状晶组织和大量低晶界特征；同时，EBSD结果显示，富Nb、Ti、C的MC型碳化物主要析出于高角度晶界处，少量分布于晶内。

图1 Alloy 690在拉伸和压缩下的应力–应变曲线及晶格旋转分析：（a）镍基合金690在室温下在单轴拉伸和压缩下准静态变形获得的应力-应变曲线；（b）图中的示意图说明了晶粒取向差及载荷方向与特定晶体学矢量之间角度的定义.；（c）未变形的合金690样品中<110>轴和<111>轴与加载方向之间的角度分布；（d）拉伸变形后样品中<110>轴和<111>轴与加载方向之间的角度分布和（e）角度差值分布；（f）压缩变形后样品中<110>轴和<111>轴与加载方向之间的角度分布和（g）角度差值分布

（2）图2给出了拉伸和压缩后材料的EBSD，滑移迹线及Schmid因子分析结果。通过核平均取向差（Kernel Average Misorientation, KAM）分布和滑移迹线分析，发现实际激活的滑移系并不总是对应最高Schmid因子的滑移系。尤其在压缩加载条件下，更多低Schmid因子的晶粒滑移被激活，这意味着传统Schmid定律不足以解释Alloy 690中的滑移启动行为。该结果从实验侧面证明，非Schmid应力分量在控制初始塑性变形和屈服不对称方面具有重要作用。

图2 变形后样品的EBSD分析结果：（a）拉伸后样品的EBSD-KAM图；（b）滑移迹线分析结果和（c）图（b）中标记的晶粒滑移迹线分析结果；（d）压缩后样品的EBSD-KAM图；（e）滑移迹线分析结果和（f）图（e）中标记的晶粒滑移迹线分析结果；（g）两种工况下激活的滑移频率与Schmid因子之间的关系

（3）本文进一步将分子动力学获得的非Schmid系数和NEB方法计算得到的位错滑移激活能引入晶体塑性模型。该模型（式1）中假设非Schmid贡献随有效塑性应变逐渐衰减，以反映其在塑性变形初期最为显著、随后相对贡献降低的特征。模拟与试验对比结果表明（图3），考虑非Schmid效应影响的晶体塑性框架能够较好预测Alloy 690多晶材料的室温拉伸和压缩应力-应变响应，并成功捕捉实验观察到的拉压屈服不对称现象。

图3 拉伸和压缩条件下690合金实验与晶体塑性模拟结果对比:（a）真应力-真应变曲线对比；（b）5%应变条件下的织构极图对比；（c）ε₀和（d）ΔF参数敏感性分析；（e）采用考虑非Schmid效应影响的晶体塑性框架和传统仅考虑Schmid影响的晶体塑性框架模拟5%应变时的织构极图对比

致谢

本文第一作者和通讯作者：Sagar Chandra（Bhabha Atomic Research Centre）。

本期小编：华飞龙（ 整理）

董乃健 （校对）

程 航 （审核）

董乃健 （发布）