变形高温合金的蠕变机制研究
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A 弱耦合关联 – 两个位错间距较大，大于γ′相的直径
r γ′ <2T/γ
APB
弱耦合位错对切割向强耦合位错对 切割转变的条件是相半径大小满足： r γ′ =2T/γ APB
r γ′ >2T/γ
APB
B 强耦合关联 – γ′相尺寸较大，第一个位错尚未切 出γ′相之前第二个位错恰好要切入γ′ 相 (Huther and Reppich 1978)(Reed 2006)
7.RAUJOL, S., F. PETTINARI, D. LOCQ, ET AL. CREEP STRAINING MICRO-MECHANISMS IN A POWDER-METALLURGICAL NICKEL-BASED SUPERALLOY. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: A, 2004. 387: 678-682.
(Tian, Han et al. 2014)
蠕变条件对合金蠕变变形机制的影响
低温低应力： 不全位错切入γ′相形成 层错
中温条件： 蠕变变形机制较为复杂 微孪晶和层错同时存在
不同蠕变条件下合金的变形机制 (Xu 2013)
温度升高： 热激活位错攀移及位错 绕过γ′相
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
成对位错切割GAMMA′相形成反相畴界（APB）
反相畴界主要是由成对位错切割 γ ′相形成的。 这种位错切割有序相的方式广泛存 在于采用有序相进行沉淀强化的合 金中。 变形高温合金中成对位错切割γ ′ 相形成APB的变形方式通常存在于低 温高应力的变形条件下。
(Xu et al. 2013)
位错对切割γ′相形成APB有两种方式：
不同时效时间获得的不同尺寸γ′颗粒对高温变形（拉伸）机制的影响：
(Fu et al. 2015)
(Fu Βιβλιοθήκη Baidut al. 2015)
参考文献
1.REED, R.C., THE SUPERALLOYS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS. 2006: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS. 2.徐玲, 储昭贶, 崔传勇, ET AL. 一种镍钴基变形高温合金蠕变变形机制的研究. 金属学报, 2013. 49(7): 863870. 3.TIAN, C., G. HAN, C. CUI, ET AL. EFFECTS OF STACKING FAULT ENERGY ON THE CREEP BEHAVIORS OF NI-BASE SUPERALLOY. MATERIALS & DESIGN, 2014. 64(0): 316-323. 4.KOLBE , M. THE HIGH TEMPERATURE DECREASE OF THE CRITICAL RESOLVED SHEAR STRESS IN NICKEL-BASE SUPERALLOYS. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: A, 2001. 319: 383-387. 5.VISWANATHAN, G., P. SAROSI, M. HENRY, ET AL. INVESTIGATION OF CREEP DEFORMATION MECHANISMS AT INTERMEDIATE TEMPERATURES IN RENE 88 DT. ACTA MATERIALIA, 2005. 53(10): 3041-3057. 6.YUAN, Y., Y. GU, C. CUI, ET AL. INFLUENCE OF CO CONTENT ON STACKING FAULT ENERGY IN NI–CO BASE DISK SUPERALLOYS. JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH, 2011. 26(22): 2833-2837.
蠕变机制与三次γ′相之间的间距有关 Orowan stress ：τOR = 2T/bL b-Burgers vector； T-line tension； L-width of a channel；
位错绕过γ′相 (Raujol et al. 2004)
ISF
OR
CSF
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
位错切割GAMMA，相形成微孪晶
全位错a/2<110>分解→ 伪孪晶复杂层错
+
热激活有序化→Ni原子 和Al原子部分交换位置 微孪晶结构 微孪晶的形成与长大：a/6<112>不全位错运动促使层错加厚转变成孪晶，并 通过每个台阶上的不全位错向晶内协同推移实现孪晶界迁移和孪晶片层长大
受材料复杂服役条件的影响，往往在工件服役时，产生非单一的变形机制。 针对某一工作条件，材料内部往往有几种不同的变形机制同时存在，只是或许 会出现某一种或两种变形机制占主导的现象；
位错切割GAMMA，相形成层错
低层错能合金+界面错配应力 →全位错A/2<110>分解
a a a 1 1 0 121 SSF 11 2 2 3 6
A/3<121>切入Γ′相→SF
位错绕过GAMMA，相
位错绕过第二相所需的应力与 第二相粒子之间的距离成反比：
r γ′小→dγ′大，位错弯曲绕过 γ ′相所需应力较小；反之 r γ′大→dγ′小，二相粒子之间距 离较小时，位错弯曲绕过γ ′ 相所需应力就较大，位错更容 易以切割γ ′相的方式运动。
研究表明：三次γ′相分布在基体通道中， 将阻碍位错运动进而提高合金的蠕变性能
APB Mode
(Viswanathan et al. 2005)
SESF Mode
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
Y轴 切 割 连 续 γ’ 相 所 需 外 加 应 力 X轴 三次γ’相体积分数
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
TMW-2
29.8Co(at.%)
TMW-4M3 34Co(at.%) TMW-26 34.7Co(at.%)
层错能随合金中Co含量的变化趋势
Γ基体Co含量的增加在一定限度 内可以明显降低合金的层错能
(Yuan et al. 2011)
层错能对合金蠕变变形机制的影响
层错能对合金蠕变变形机制的影响
合金：5Co、 15Co、 23Co； 蠕变条件：650℃/840MPa、725℃/630MPa
蠕变条件变化→ 变形机制改变
存在重叠区域→ 同时存在一种 以上的变形机制
(徐玲 et al. 2013)
不同影响因素下的蠕变机制
层错能 对合金蠕变变形机制的影响 蠕变条件 对合金蠕变变形机制的影响
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
层错能对合金蠕变变形机制的影响
U720Li
19.8Co (at.%)
变形高温合金的蠕变机制
• 变形高温合金中常见的变形机制
• 不同影响因素下的蠕变机制
层错能 对合金蠕变变形机制的影响
蠕变条件 对合金蠕变变形机制的影响 显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
变形高温合金中常见的变形机制
不同变形条件→不同变形机制：
• 成对位错切割γ，相形成反相畴界（APB） • 位错切割γ，相形成层错 • 位错绕过γ，相 • 位错切割γ，相形成微孪晶
8.FU, B.D., K. DU, G.M. HAN, ET AL. DEFORMATION MECHANISMS IN A CO-RICH NICKEL BASED SUPERALLOY WITH DIFFERENT SIZE OF Γ ׳PRECIPITATES. MATERIALS LETTERS, 2015. 152(0): 272275.
r γ′ <2T/γ
APB
弱耦合位错对切割向强耦合位错对 切割转变的条件是相半径大小满足： r γ′ =2T/γ APB
r γ′ >2T/γ
APB
B 强耦合关联 – γ′相尺寸较大，第一个位错尚未切 出γ′相之前第二个位错恰好要切入γ′ 相 (Huther and Reppich 1978)(Reed 2006)
7.RAUJOL, S., F. PETTINARI, D. LOCQ, ET AL. CREEP STRAINING MICRO-MECHANISMS IN A POWDER-METALLURGICAL NICKEL-BASED SUPERALLOY. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: A, 2004. 387: 678-682.
(Tian, Han et al. 2014)
蠕变条件对合金蠕变变形机制的影响
低温低应力： 不全位错切入γ′相形成 层错
中温条件： 蠕变变形机制较为复杂 微孪晶和层错同时存在
不同蠕变条件下合金的变形机制 (Xu 2013)
温度升高： 热激活位错攀移及位错 绕过γ′相
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
成对位错切割GAMMA′相形成反相畴界（APB）
反相畴界主要是由成对位错切割 γ ′相形成的。 这种位错切割有序相的方式广泛存 在于采用有序相进行沉淀强化的合 金中。 变形高温合金中成对位错切割γ ′ 相形成APB的变形方式通常存在于低 温高应力的变形条件下。
(Xu et al. 2013)
位错对切割γ′相形成APB有两种方式：
不同时效时间获得的不同尺寸γ′颗粒对高温变形（拉伸）机制的影响：
(Fu et al. 2015)
(Fu Βιβλιοθήκη Baidut al. 2015)
参考文献
1.REED, R.C., THE SUPERALLOYS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS. 2006: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS. 2.徐玲, 储昭贶, 崔传勇, ET AL. 一种镍钴基变形高温合金蠕变变形机制的研究. 金属学报, 2013. 49(7): 863870. 3.TIAN, C., G. HAN, C. CUI, ET AL. EFFECTS OF STACKING FAULT ENERGY ON THE CREEP BEHAVIORS OF NI-BASE SUPERALLOY. MATERIALS & DESIGN, 2014. 64(0): 316-323. 4.KOLBE , M. THE HIGH TEMPERATURE DECREASE OF THE CRITICAL RESOLVED SHEAR STRESS IN NICKEL-BASE SUPERALLOYS. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: A, 2001. 319: 383-387. 5.VISWANATHAN, G., P. SAROSI, M. HENRY, ET AL. INVESTIGATION OF CREEP DEFORMATION MECHANISMS AT INTERMEDIATE TEMPERATURES IN RENE 88 DT. ACTA MATERIALIA, 2005. 53(10): 3041-3057. 6.YUAN, Y., Y. GU, C. CUI, ET AL. INFLUENCE OF CO CONTENT ON STACKING FAULT ENERGY IN NI–CO BASE DISK SUPERALLOYS. JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH, 2011. 26(22): 2833-2837.
蠕变机制与三次γ′相之间的间距有关 Orowan stress ：τOR = 2T/bL b-Burgers vector； T-line tension； L-width of a channel；
位错绕过γ′相 (Raujol et al. 2004)
ISF
OR
CSF
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
位错切割GAMMA，相形成微孪晶
全位错a/2<110>分解→ 伪孪晶复杂层错
+
热激活有序化→Ni原子 和Al原子部分交换位置 微孪晶结构 微孪晶的形成与长大：a/6<112>不全位错运动促使层错加厚转变成孪晶，并 通过每个台阶上的不全位错向晶内协同推移实现孪晶界迁移和孪晶片层长大
受材料复杂服役条件的影响，往往在工件服役时，产生非单一的变形机制。 针对某一工作条件，材料内部往往有几种不同的变形机制同时存在，只是或许 会出现某一种或两种变形机制占主导的现象；
位错切割GAMMA，相形成层错
低层错能合金+界面错配应力 →全位错A/2<110>分解
a a a 1 1 0 121 SSF 11 2 2 3 6
A/3<121>切入Γ′相→SF
位错绕过GAMMA，相
位错绕过第二相所需的应力与 第二相粒子之间的距离成反比：
r γ′小→dγ′大，位错弯曲绕过 γ ′相所需应力较小；反之 r γ′大→dγ′小，二相粒子之间距 离较小时，位错弯曲绕过γ ′ 相所需应力就较大，位错更容 易以切割γ ′相的方式运动。
研究表明：三次γ′相分布在基体通道中， 将阻碍位错运动进而提高合金的蠕变性能
APB Mode
(Viswanathan et al. 2005)
SESF Mode
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
Y轴 切 割 连 续 γ’ 相 所 需 外 加 应 力 X轴 三次γ’相体积分数
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
TMW-2
29.8Co(at.%)
TMW-4M3 34Co(at.%) TMW-26 34.7Co(at.%)
层错能随合金中Co含量的变化趋势
Γ基体Co含量的增加在一定限度 内可以明显降低合金的层错能
(Yuan et al. 2011)
层错能对合金蠕变变形机制的影响
层错能对合金蠕变变形机制的影响
合金：5Co、 15Co、 23Co； 蠕变条件：650℃/840MPa、725℃/630MPa
蠕变条件变化→ 变形机制改变
存在重叠区域→ 同时存在一种 以上的变形机制
(徐玲 et al. 2013)
不同影响因素下的蠕变机制
层错能 对合金蠕变变形机制的影响 蠕变条件 对合金蠕变变形机制的影响
显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
层错能对合金蠕变变形机制的影响
U720Li
19.8Co (at.%)
变形高温合金的蠕变机制
• 变形高温合金中常见的变形机制
• 不同影响因素下的蠕变机制
层错能 对合金蠕变变形机制的影响
蠕变条件 对合金蠕变变形机制的影响 显微组织 对合金蠕变变形机制的影响
变形高温合金中常见的变形机制
不同变形条件→不同变形机制：
• 成对位错切割γ，相形成反相畴界（APB） • 位错切割γ，相形成层错 • 位错绕过γ，相 • 位错切割γ，相形成微孪晶
8.FU, B.D., K. DU, G.M. HAN, ET AL. DEFORMATION MECHANISMS IN A CO-RICH NICKEL BASED SUPERALLOY WITH DIFFERENT SIZE OF Γ ׳PRECIPITATES. MATERIALS LETTERS, 2015. 152(0): 272275.