《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of Plastic Deformation and Annealing on Recrystallization and Creep Properties of IN738LC: An Experimental and Numerical Study
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塑性预应变和退火对IN738LC合金静态再结晶及抗蠕变性能的影响研究。通过热变形与退火实验结合有限元分析，发现SRX在1140-1160℃间启动，临界应变为0.5%-1%，最大再结晶深度120μm。实验表明SRX会显著降低材料抗蠕变性能，塑性变形使寿命降低62%，退火后进一步恶化至78%。
A. Hassanzadeh|A.M. Kolagar|P. Raissi
伊朗德黑兰Mapna集团Mavadkaran公司的研发部门
摘要
本研究探讨了塑性预应变和退火对IN738LC材料静态再结晶（SRX）的影响，分析了它们对微观结构和应力断裂行为的影响。研究目的在于确定SRX发生的临界应变和温度，验证有限元分析（FEA）在工业部件中预测应变局部化的准确性，并评估蠕变降解的程度。共制备了28个铸件试样和一个工业部件。其中22个试样在0.5%至约7%的范围内进行塑性变形，然后在1120至1200°C下退火2小时。在982°C和152MPa条件下进行了金相分析、荧光渗透检测（FPI）和应力断裂试验。使用DEFORM-3D软件中的Johnson–Cook（J–C）模型对初始扭曲为14°的试样进行了FEA模拟，其结果与应变计测量结果进行了验证。在1140°C以下未观察到SRX现象；而在1140至1160°C之间，当应变达到0.5%–1%时，SRX开始显著发生，最大再结晶深度为120微米。FEA预测的最大塑性应变值为0.0331，而应变计测量值为0.0325，两者差异很小（仅1.8%）。这一结果准确识别出了退火后发生SRX的高应变区域。应力断裂试验表明，单纯的塑性变形使部件寿命减少了62%，伸长率降低了78%；进一步的退火和SRX处理使这些数值分别降低到了78%和69%。研究结果强调了减少塑性应变以及避免对易发生蠕变的IN738LC部件进行可能导致再结晶的热处理的重要性。
引言
镍基超级合金在发电和石化加工等高温应用中至关重要。它们的优异蠕变抗性和热稳定性主要源于γ′（Ni?(Al, Ti, Ta)）强化相，该相在高温下能够抑制位错运动[1]、[2]、[3]、[4]。其中，IN738LC因兼具机械强度和微观结构稳定性而被广泛用于铸件工业部件。合金的性能受到晶粒尺寸、晶界形态和次要相分布的显著影响，而这些因素均由加工工艺和后续热处理决定[5]、[6]、[7]。
在制造和修复过程中，部件通常会因机械加工、焊接或热等静压（HIP）而发生塑性变形。随后的热处理会引发恢复、静态再结晶（SRX）和晶粒生长[8]、[9]、[10]、[11]。SRX是由储存的应变能驱动的，它用无应变的晶粒替换变形晶粒。虽然这在成形过程中可以恢复材料的延展性，但在易发生蠕变的部件中却是有害的，因为取向错误的晶粒和孪晶界会降低疲劳抗性并促进裂纹扩展[12]、[13]、[14]、[15]。SRX过程中晶界形态的变化直接影响蠕变变形机制，包括晶界滑移（GBS）和空洞形成。因此，控制SRX对于确保部件可靠性至关重要。
近期研究强调了SRX对加工条件的敏感性。Xu等人[16]指出退火速率会影响CMSX-4的SRX过程，而Hu等人[17]将固溶温度与Inconel 625的SRX完成时间相关联。Lin和Zhang[18]、[19]将晶核形成和晶界迁移性视为该过程的关键因素。Li等人[20]为GH4169的SRX开发了动力学模型，并分析了晶粒细化机制，揭示了RX的时间-温度-应变依赖性。Liu等人[21]报告称，在热机械梯度作用下SRX与动态再结晶（DRX）同时发生。针对增材制造合金的研究表明，后处理过程中的SRX常常与均匀化过程同时发生[22]。这些发现凸显了精确控制SRX的重要性。
在Inconel 718和740等合金中也研究了DRX现象，明确了热变形下的晶粒细化机制[23]、[24]、[25]。然而，这些研究主要关注变形驱动的过程，而对IN738LC的SRX进行系统研究仍然较少。此外，SRX在服役中的有害影响也已被注意到。Li等人[26]发现再结晶晶粒和孪晶界会降低蠕变抗性，而Xiao等人[27]指出氧化辅助的RX会加速单晶合金的损伤。不过，SRX对多晶IN738LC蠕变寿命的定量影响尚不明确。
有限元分析（FEA）已成为预测复杂部件中应变局部化和识别关键区域的强大工具。基于FEA的近期研究证明了结合实验和数值方法预测局部变形和再结晶现象的有效性[28]、[29]。DEFORM软件结合Johnson–Cook（J–C）等本构模型，能够通过捕捉流动应力与应变、应变率和温度的依赖关系来详细分析变形过程[30]、[31]、[32]、[33]。尽管J–C模型通常用于高应变率条件，但通过实验校准后也可用于准静态模拟[34]。然而，目前仍很少有研究将FEA预测的局部应变分布与IN738LC中的SRX起始和深度联系起来。
SRX起始的应变-温度条件、局部应变梯度及其对蠕变寿命的影响之间的关系尚不明确。即使在蠕变敏感的条件下，轻微的再结晶也可能危及部件的机械完整性。
本研究结合了受控变形和退火实验以及使用J–C模型的FEA模拟，将应变局部化与SRX的起始和深度联系起来，并评估了其对蠕变断裂行为的影响。研究结果建立了SRX演变与蠕变降解之间的定量关系，为IN738LC部件的加工和修复策略优化提供了指导。
部分摘录
样品制备
本研究选取了30个测试试样和一个具有复杂几何形状的工业部件。所有试样均来自IN738LC铸锭，其化学成分通过光学发射光谱仪（OES）测定，具体数据见表1。测试试样被加工成螺纹形状，如图1所示。这些试样用于塑性变形处理、在不同温度下的退火以及蠕变性能评估。
预应变和退火对微观结构的影响
使用光学显微镜观察了22个试样的微观结构图像，这些试样经历了不同程度的塑性应变和退火处理。如图8所示，即使在塑性变形严重的试样中（应变接近6–7%的断裂应变），在1140°C的退火温度下也未观察到明显的微观结构变化。
在1160°C的退火温度下，部分试样中开始形成新的晶粒
结论
本研究通过一系列测试评估了塑性变形对IN738LC微观结构和蠕变行为的影响。主要发现如下：
- 1 -
在1140°C的退火温度下，无论施加的塑性应变大小如何，均未观察到再结晶晶粒和孪晶界。
- 2 -
在1160°C时，当塑性应变超过0.5%时，试样中开始发生SRX；在更高的退火温度下，即使塑性应变很小时也会出现再结晶晶粒
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢Mavadkaran公司提供的财务和技术支持，并感谢同事们在材料供应及金相和力学测试方面提供的宝贵帮助。
