超薄镍基超级合金条中静态和动态霍尔-佩奇效应的尺寸效应，源于位错结构的转变及增殖模式

《Journal of Alloys and Compounds》：Size effect on the static and dynamic Hall-Petch effect in ultra-thin nickel-based superalloy strips arising from the transformation of dislocation structure and multiplication mode

超薄镍基合金带材的机械性能偏离传统塑性理论，主要因位错增殖模式与结构变化导致静态和动态Hall-Petch效应。研究揭示了不同t/d比值（带材厚度与晶粒尺寸比）下多晶、准单晶材料变形机制差异，提出分阶段Hall-Petch模型，修正传统公式以提升微成形工艺预测精度。

　　在材料科学研究领域，尺寸效应是影响材料力学性能的重要因素之一。特别是对于超薄金属条带，随着其厚度的减小，材料表现出的力学行为与传统塑性变形理论存在显著差异。这一现象在镍基超合金条带中尤为明显，因其在高温、腐蚀和氧化环境下仍能保持优异的机械性能，使其成为航空发动机等关键部件不可或缺的材料。本研究聚焦于分析不同厚度的镍基超合金条带（包括多晶、多晶结构和准单晶结构）的力学性能变化，并揭示其与传统塑性变形理论之间的偏差原因，以及尺寸效应如何影响条带的静态和动态Hall-Petch行为。

传统塑性变形理论主要基于连续介质假设，认为材料的力学性能与晶粒尺寸密切相关。然而，在微尺寸材料中，这种理论无法准确描述材料的变形行为。Hall-Petch效应是描述晶粒尺寸对材料强度影响的经典理论之一，其核心观点是随着晶粒尺寸的减小，材料的屈服强度会提高。然而，在某些情况下，如当材料的厚度与晶粒尺寸接近时，Hall-Petch效应的表现可能与预期不符。这种现象的出现，与条带内部位错的生成机制和位错结构的变化密切相关。

在本研究中，我们通过冷轧工艺制备了不同厚度的镍基超合金条带，厚度分别为180、120、75、50和30微米。通过对这些材料的系统研究，我们发现，随着条带厚度的减小，位错源的行为和位错的乘积累积方式发生了显著变化。这种变化导致了材料在塑性变形过程中表现出不同的强化机制，特别是在准单晶结构的超薄条带中，位错的生成和运动受到自由表面和相邻晶粒取向的影响，使得材料的屈服强度和塑性变形能力发生显著变化。

在超薄条带中，自由表面与位错源之间的相互作用尤为显著。随着条带厚度的减小，位错源的生成模式从双轴变为单轴，这导致了位错的生成受到更大的限制。同时，由于位错乘积累积空间的缩小，材料内部可能出现位错饥饿现象，即位错的生成和运动受到阻碍，从而增加了材料的临界切应力。这种现象在准单晶结构的超薄条带中尤为明显，因为此时变形主要集中在几个晶粒上，而这些晶粒的取向差异可能进一步影响位错源的激活和运动。

在传统Hall-Petch公式中，通常假设位错的生成和运动不受自由表面的影响，而是在整个材料内部均匀进行。然而，在微尺寸材料中，自由表面的存在对位错的运动产生了显著影响，使得传统的单阶段Hall-Petch公式不再适用。为了弥补这一不足，我们提出了一个分阶段的Hall-Petch模型，该模型考虑了不同区域的Taylor因子和局部取向因子的差异，从而提高了模型的拟合效果。这一模型不仅能够更准确地描述材料的变形行为，还为微尺寸材料的制备提供了理论依据。

此外，本研究还发现，当材料的厚度与晶粒尺寸之比小于1时，材料的Hall-Petch系数表现出对晶粒尺寸和应变的更高敏感性。这主要是由于变形区域中晶粒的各向异性增加，使得相邻晶粒中的位错源难以被激活，从而影响了材料的整体强度。这种现象表明，传统的塑性变形理论在描述微尺寸材料时存在一定的局限性，而需要结合更精细的位错动力学模型进行分析。

为了进一步揭示这一现象的机制，我们采用了一系列实验方法，包括显微结构分析、力学性能测试等。通过这些方法，我们不仅能够观察到材料在不同厚度下的微观结构变化，还能够分析其力学性能的变化趋势。实验结果表明，随着条带厚度的减小，材料的变形机制逐渐从传统的多晶结构向准单晶结构转变，而这一转变伴随着位错源行为和位错结构的变化。

在准单晶结构的超薄条带中，由于位错的生成和运动受到更大的限制，材料表现出更高的强度和更低的塑性变形能力。这一现象与传统的Hall-Petch效应有所不同，因为当材料的厚度与晶粒尺寸之比小于1时，位错的生成和运动不再完全依赖于晶界的作用，而是受到自由表面和相邻晶粒取向的影响。这种影响使得材料的Hall-Petch效应表现出不同的行为，包括静态和动态Hall-Petch效应的出现。

静态Hall-Petch效应指的是材料在塑性变形过程中，由于位错的生成和运动受到晶界和自由表面的限制，导致其屈服强度随晶粒尺寸的减小而提高。而当材料的厚度进一步减小时，动态Hall-Petch效应则开始显现，即在塑性变形过程中，位错的生成和运动受到更大的限制，使得材料的强度进一步提高。这种动态效应的出现，与位错的生成模式和位错结构的变化密切相关。

为了更准确地描述这些现象，我们提出了一种新的模型，该模型考虑了不同区域的Taylor因子和局部取向因子的差异。这一模型能够更有效地拟合材料的力学性能数据，并为微尺寸材料的制备和加工提供理论指导。通过该模型，我们能够更好地理解材料在不同厚度下的变形机制，并预测其力学性能的变化趋势。

本研究的结果表明，传统的塑性变形理论在描述微尺寸材料时存在一定的局限性，特别是在尺寸效应和厚度效应的共同作用下。因此，我们需要结合更精细的位错动力学模型和新的Hall-Petch公式，以更全面地描述材料的力学行为。此外，研究还发现，自由表面的存在对材料的塑性变形能力产生了显著影响，使得材料在不同厚度下的变形机制发生了变化。

在实际应用中，超薄金属条带的制备和加工需要考虑其尺寸效应和厚度效应的影响。为了确保材料的性能和可靠性，我们需要采用更精确的模型和方法，以预测其在不同条件下的力学行为。同时，还需要优化加工工艺，以提高材料的表面质量和厚度均匀性。这些优化措施对于提高材料的综合性能和确保其在微加工过程中的稳定使用具有重要意义。

综上所述，本研究通过系统分析不同厚度的镍基超合金条带的力学性能变化，揭示了尺寸效应和厚度效应在材料变形中的重要作用。研究结果表明，传统的塑性变形理论和Hall-Petch公式在描述微尺寸材料时存在一定的不足，而需要结合更精细的位错动力学模型进行修正。通过这些修正，我们能够更准确地预测材料的力学行为，并为微尺寸材料的制备和加工提供理论指导。此外，研究还为实现材料的高强度和高塑性匹配提供了新的思路和方法，有助于推动微加工技术的发展和应用。