引文格式：

背景简介

718合金是一种镍基高温合金，广泛用于航空航天、船舶和核用涡轮机的热部件。工业的发展已经迫使这种材料的高温力学使役性能接近其极限。因此，了解其在高温极端环境下的微观组织和力学行为之间的联系对于这类部件的稳定长久运行来说至关重要。晶界通常被认为是多晶合金在高温下的弱点，是氧元素扩散的优先路径，其对多晶合金的变形过程也有显著影响。尽管在材料设计中晶界有重要的地位，但目前的研究没有解释清楚晶粒尺寸对晶界和晶粒内部应变分配的影响，这关系到材料在不同微观组织条件下变形的过程。本文的工作旨在探讨650℃下晶粒尺寸对718合金微观尺度应变局部化、滑移-晶界相互作用、早期损伤发展和断裂的影响。

成果介绍

（1）本研究采用非原位电镜-高分辨率-数据图像定量关联（ex-situ SEM High-Resolution Digital Image Correlation，HR-DIC）技术实现了对650℃下三种晶粒尺寸条件下的拉伸变形定量表征，结果如图1和图2所示。以上的统计分析表明，650℃下的应变局部化受晶粒尺寸控制。研究发现，粗晶组织体系中的应变以贯穿晶粒的滑移带形式为主时，细晶组织则是以晶界处的应变为主。细晶组织的高塑性与晶界本身对应变的高适应能力，以及小晶粒尺寸导致晶内滑移较低的滑移幅度无法承担更大程度的变形有关。结合一些位错演化理论，如Frank–Read提出的：发射位错所需的能量与晶粒尺寸成反比。晶粒尺寸越小，从Frank-Read源发射位错能量需求越大。因此在粗晶粒组织中形成滑移带比在细晶粒组织中形成滑移带需要更少的能量，即更容易产生晶粒内部的变形（图2）。

图1 应用HR-DIC获取的应变分布图：（a）小晶粒；（b）中等尺寸晶粒；（c）大尺寸晶粒

图2 应用HR-DIC获取的应变分布统计柱状图

（2）在中等晶粒（Fine）和极细晶粒（Very fine）组织中发现了晶界滑移的一些异常特征。根据滑移方向和晶界之间的关系，晶界滑移可分为不同的模式，晶粒取向及晶界角度定义如图3所示。在细晶组织中发现了剪切模式的晶界变形；而在晶粒极细的情况下，晶界滑动优先地沿着加载方向发生，与晶界的取向无关，上述规律由图4可得。这一结果表明，在晶粒极细的情况下除了剪切以外，还有其他的机制在发生作用。可能的情况有：（i）晶界开裂;（ii）蠕变机制;（iii）两者的组合，具体的示意图如图5所示。后续仍需要进一步研究，才可能确定发生的具体机制。然而，不管它们的性质如何，这些机制的存在提供了更高的晶界滑动能力。实际上，除了沿着加载方向对齐之外，在非常细的晶粒中发生的晶界滑动在统计学上也更加趋向于变形至与晶界不同的平面外。这些结果表明，晶界滑动发生在晶粒尺寸较小的情况时，允许较大的应变调节，这有助于提高材料的塑性。

图3 晶界滑动示意图及其变量定义：𝜃定义为晶界与加载方向之间的夹角；α定义为G1晶粒表面面内滑移的角度；β则是定义滑移偏向面外的角度

图4 晶界滑动统计结果。𝜃角为0时，晶界平行于加载方向，α角为0时，代表发生的晶界滑动为纯剪切。除此之外，这些点的颜色表示滑移事件偏向面外的程度。颜色越暖，偏离晶界平面越多

图5 不同晶粒尺寸导致不同的变形机制：偏离晶界平面的剪切；晶界开裂；扩散蠕变

致谢

这项工作得到了欧洲研究理事会的支持[项目HT-S4 DefOx-授权号948007]（比利时）。感谢国家科学研究中心（CNRS）为“CIN & MAT”（法国）国际研究项目提供的流动补助金。RLB和JCS感谢美国国家科学基金会（奖励编号2338346）的财政支持（美国）。这项工作部分在伊利诺伊大学香槟分校的材料研究实验室中心研究设施中进行。作者特别感谢Raimond Castaing微量分析中心（UAR 3623）的扫描电子显微镜表征支持。本文第一作者：Malo Jullien （Institut Clement Ader (ICA)）；通讯作者：Damien Texier（Institut Clement Ader (ICA) ）。

本期小编：董乃健（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

王永杰（发布）