成形失效：解析镍单晶中取向依赖的断裂行为

《Materials Science and Engineering: A》：Shaping failure: Decoding orientation-dependent fracture in Ni single crystals

本研究探究了不同镍单晶在准静态拉伸下的晶体取向依赖断裂行为，发现颈缩和斜面断裂两种模式，通过滑移分析和晶体塑性有限元模拟表明，应力投影因子可有效预测断裂模式。

　　

林浩俊|凯特琳·M·菲茨杰拉德|蒂莫西·J·拉格尔斯|威廉·G·吉利兰德|兰登·F·施内布利|杰伊·D·卡罗尔

材料、物理与化学科学领域，桑迪亚国家实验室，新墨西哥州阿尔伯克基市87185，美国

摘要

在本研究中，我们探讨了在不同镍（Ni）单晶片材在准静态速率和室温下单轴拉伸条件下所表现出的依赖于晶体取向的断裂行为。实验揭示了两种不同的失效模式：其中三种单晶发生了缩颈现象，而另外三种则沿斜向断裂面断裂。为阐明这些不同失效行为的根本机制，我们进行了全面的滑移分析，并结合晶体塑性有限元模拟进行了研究。分析表明，活性滑移系统的方向，尤其是在横向（横向和厚度方向）上，对晶体的失效行为起着关键作用。我们证明，基于初始晶体取向简单计算应力投影因子，可以高效准确地预测片状单晶的失效模式。相比之下，其他局部场（如基于应力和应变的指标）与观察到的失效行为相关性较低。本研究阐明了单晶中观察到的有趣断裂行为，并引入了一个用于评估失效模式的预测参数。

引言

单晶是理解多晶材料塑性的基本构建单元。这些单晶的集体行为不仅决定了材料的宏观响应，还决定了诸如剪切带形成和断裂等局部化现象[1]。因此，表征单晶材料的变形行为提供了一种直接的方法，可以评估晶体取向和滑移局部化的影响，而不受晶界复杂因素的干扰。尽管单晶至关重要，但获取多样化的单晶数据并对塑性变形和失效行为进行系统研究仍然是一个重大挑战。

多晶材料的韧性失效行为一直是广泛研究的主题，众多实验和数值研究揭示了其潜在机制的复杂性，例如[2]、[3]、[4]、[5]、[6]等文献中的研究。Noell等人的综述[7]对各种不同的韧性断裂机制进行了分类，提供了这些失效发生条件的见解。在无空洞断裂的情况下，当应力三轴性超过1/3时，通常会发生缩颈至某一点的失效[8]。这种失效的特点是局部变形导致截面积减小直至断裂。相反，当应力三轴性低于1/3时，会观察到单平面或多平面灾难性剪切失效，其特征是材料沿特定平面突然且大面积地断裂[9]、[10]。

尽管各种经典失效模型为理解多晶材料的失效行为提供了指导，但这些模型是否直接适用于单晶仍存在不确定性。由于晶体取向的差异、极端的各向异性以及缺乏晶界和其他晶粒的邻近效应，单晶表现出独特的机械性能和失效机制。以往关于依赖于取向的单晶断裂的研究主要集中在了解在不同加载条件下的损伤演变，包括单轴拉伸[11]、疲劳[12]和蠕变[13]。这些研究采用了先进的晶体塑性模型和连续损伤框架[14]、[15]、[16]来分析单晶的机械行为。研究表明，断裂起始和裂纹扩展受到晶体取向的显著影响。

在本研究中，我们探讨了在不同镍（Ni）单晶片材在准静态速率和室温下单轴拉伸条件下所表现出的两种不同的依赖于晶体取向的断裂行为。其中三种单晶发生了缩颈现象，而另外三种则沿斜向断裂面断裂。为理解这些不同的行为，我们分析了断裂表面，并结合晶体塑性有限元（CP-FE）模拟来识别影响单晶不同失效模式的主要因素。

实验程序

纯度为99.999%的单晶Ni样品在真空炉中以1350°C加热8小时，以获得厘米级的晶粒。然后使用电火花加工（EDM）制备出扁平的狗骨形拉伸样品。共制备了六种单晶，其初始晶体取向各不相同，分别标记为$A$至$F$。这些取向是通过Zeiss Supra55VP扫描电子显微镜中的电子背散射衍射（EBSD）测量的，使用了Oxford仪器。

滑移分析和晶体塑性模拟

为了研究单晶中观察到的两种不同断裂行为的起源，我们根据每个样品的初始晶体取向进行了滑移分析。FCC单晶中观察到的宏观应变与每个滑移系统内的剪切应变直接相关，因为塑性变形的主要方式是通过滑移系统的位错运动来实现的。当对每个滑移系统施加剪切力时，这种变形会表现为宏观变形。

平面单晶样品的广义失效模型

如前一节所述，横向应变比值${?}_y/{?}_z$在确定片状单晶的失效行为中起着关键作用。然而，不进行机械测试或微观力学模拟，从初始晶体取向获得${?}_y/{?}_z$是具有挑战性的。一种有效的估计方法是通过Schmid分析确定主要的活性滑移系统，并评估相应的Schmid因子。

结论

在单轴拉伸作用下的镍（Ni）片状单晶表现出两种不同的失效模式：缩颈和剪切。断裂表面分析表明，所有单晶都是通过以滑移为主的机制失效的，没有明显的空洞和凹陷迹象。全面的滑移分析和晶体塑性有限元（CP-FE）模拟表明，活性滑移系统的取向，尤其是在横向（横向和厚度方向）上，起着重要作用。

CRediT作者贡献声明

林浩俊：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、研究、形式分析、数据管理、概念化。凯特琳·M·菲茨杰拉德：撰写 – 审稿与编辑、研究、形式分析。蒂莫西·J·拉格尔斯：撰写 – 审稿与编辑、研究、形式分析。威廉·G·吉利兰德：研究。兰登·F·施内布利：研究。杰伊·D·卡罗尔：撰写 – 审稿与编辑、研究、资金获取、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者还要感谢Thomas Bennett博士和Philip Noell博士提供的宝贵技术讨论。

桑迪亚国家实验室是由National Technology & Engineering Solutions of Sandia, LLC（NTESS）管理和运营的多任务实验室，该公司是霍尼韦尔国际公司（Honeywell International Inc.）的全资子公司，根据合同DE-NA0003525为美国能源部（DOE/NNSA）提供服务。本书面工作由该机构的员工撰写。