[论文解读] A discrete dislocation dynamics study of precipitate bypass mechanisms in nickel-based superalloys

Sabyasachi Chatterjee, Yang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2021

High Temperature Alloys and Creep参考文献 72被引用 71

一句话总结

本研究采用离散位错动力学（DDD）模拟研究镍基高温合金中位错的绕过机制，提出一种基于卷绕数的新方法以计算广义层错力。结果表明，混合剪切-环形机制在广泛的析出相体积分数和半径范围内起主导作用，显著影响材料强度；并发现晶格失配会提高绕过应力，高失配导致以钉扎为主导的绕过机制，类似于高温蠕变行为。

ABSTRACT

Order strengthening in nickel-based superalloys is associated with the extra stress required for dislocations to bypass the $\gamma'$ precipitates distributed in the $\gamma$ matrix. A rich variety of bypass mechanism has been identified, with various shearing and Orowan looping processes giving way to climb bypass as the operating conditions change from the low/intermediate temperatures and high stress regime, to the high temperature and low stress regime. When anti phase boundary (APB) shearing and Orowan looping mechanisms operate, the bypass mechanism changes from shearing to looping with increased particle size and within a broad coexistence size window. Another possibility, supported by indirect experimental evidence, is that a third "hybrid" transition mechanism may operate. In this paper we use discrete dislocation dynamics (DDD) simulations to study dislocation bypass mechanisms in Ni-based superalloys. We develop a new method to compute generalized stacking fault forces in DDD simulations. We use this method to study the mechanisms of bypass of a square lattice of spherical $\gamma'$ precipitates by $a/2\langle110 angle\{111\}$ edge dislocations, as a function of the precipitates volume fraction and size. We show that the hybrid mechanism is possible and it operates as a transition mechanism between the shearing and looping regimes over a large range of precipitates volume fraction and radii. We also consider the effects of a $\gamma/\gamma'$ lattice misfit on the bypass mechanisms, which we approximate by an additional precipitate stress computed according to Eshelby's inclusion theory. We show that in the shearing and hybrid looping-shearing regimes, a lattice misfit generally results in an increased bypass stress. For sufficiently high lattice misfit, the bypass stress is controlled by the pinning of the trailing dislocation on the exit side of the precipitates.

研究动机与目标

• 研究在不同微观结构和加载条件下，位错如何绕过镍基高温合金中的γ′析出相。
• 开发并应用一种基于复分析中卷绕数概念的新型DDD方法，以计算广义层错力。
• 确定混合剪切-环形绕过机制发挥作用的条件，并量化其对材料强度的贡献。
• 利用Eshelby的夹杂理论，研究γ/γ′晶格失配对绕过应力的影响。
• 基于模拟结果，提出一个简单的模型以预测混合绕过机制的强度贡献。

提出的方法

• 采用离散位错动力学（DDD）框架，模拟a/2⟨110⟩{111}刃型位错在正方晶格排列的球形γ′析出相上的绕过行为。
• 开发一种新方法，利用闭合曲线关于某一点的卷绕数计算广义层错力，从而精确表征层错能势能景观。
• 通过波矢分量及实验/原子尺度数据，拟合γ相和γ′相的层错能（SFE）表面，确保SFE描述的准确性。
• 通过Eshelby夹杂理论建模晶格失配，计算由本征应变引起的附加应力场，以模拟γ/γ′不匹配的影响。
• 通过追踪模拟中位错运动和应力下降，识别临界绕过构型，将绕过应力定义为位错绕过前的峰值应力。
• 基于模拟数据和几何约束，提出一个简单的解析模型，用于描述混合机制的强度贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在析出相尺寸和体积分数变化的条件下，镍基高温合金中是否存在介于纯剪切与Orowan环形机制之间的混合位错绕过机制？
• RQ2 所开发的基于卷绕数的广义层错力计算方法，如何提升DDD模拟在捕捉绕过机制时的准确性？
• RQ3 在不同析出相尺寸和体积分数下，混合机制对总绕过应力的定量贡献是多少？
• RQ4 γ/γ′晶格失配如何影响绕过应力？是否改变主导的绕过机制或临界构型？
• RQ5 能否基于模拟数据推导出一个简单的解析模型，以预测混合绕过机制的强度贡献？

主要发现

• 混合剪切-环形机制不仅存在，且在广泛的析出相体积分数和半径范围内作为主导的过渡机制发挥作用，挑战了经典的双区域模型。
• 对于位错对，绕过应力超过BKS模型的预测值，这是由于前导位错形成的环在后方位错环闭合时产生排斥作用，阻碍了其闭合。
• 绕过应力随晶格失配增加而上升；当失配足够高时，临界构型转变为以后方位错在析出相出口侧被钉扎为主导的构型。
• 模拟结果表明，混合机制对强度有显著贡献，尤其在剪切与环形机制的过渡区域。
• 所提出的混合机制强度贡献的简化模型经模拟数据验证，为微观结构设计提供了可预测的框架。
• 本研究证实，晶格失配可显著改变绕过机制，使机制从剪切/环形转变为高失配下的钉扎主导行为，与高温蠕变观测结果一致。