固溶处理Inconel 718经表面剧烈塑性变形后的屈服强度降低行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Yield Strength Reduction Behavior in Solid-Solution Treated Inconel 718 Subjected to Surface Severe Plastic Deformation

　　

研究了经超声纳米晶表面改性（UNSM）处理的固溶态Inconel 718中残余应力对拉伸屈服行为的影响。通过采用有意消除沉淀强化的固溶处理状态，可以更独立地评估残余应力对表观屈服的贡献。电子背散射衍射（EBSD）揭示了延伸至约120 μm的严重变形表层，而维氏硬度在约30 μm深度处达到最大值434 Hv，并在约500 μm深度以外降至近乎恒定的平均值305.7 Hv。X射线衍射（XRD）进一步识别出延伸至表面下约300 μm的压缩残余应力场，最大值为?537 MPa。尽管存在这些表面强化效应，经UNSM处理后，表观屈服强度从585.6 MPa降至545.8 MPa，而极限抗拉强度几乎保持不变。这表明，UNSM引起的表观屈服强度降低同样发生在固溶态Inconel 718中，且并不仅仅由沉淀相关效应所控制。作为附加分析，应用了封闭形式二维平面应力解来纳入SSPD过程中产生的自平衡残余应力场，并明确描述了实施过程。预测结果与实验结果吻合良好，估计表观屈服强度为530.3 MPa，偏差仅为2.9%。这些结果表明，表观屈服强度降低主要源于残余应力分布，并证明了该分析方法在评估经SSPD处理的金属材料中残余应力诱发屈服行为的适用性。

镍基高温合金因在宽温度范围内兼具高强度、抗蠕变性和耐腐蚀性，广泛用于航空航天、发电等领域。由于构件常承受循环载荷和苛刻环境，表面完整性对疲劳寿命和可靠性至关重要。表面剧烈塑性变形（SSPD）技术包括喷丸（SP）、激光冲击喷丸（LSP）和超声纳米晶表面改性（UNSM），通过在近表面引入严重塑性变形，实现晶粒细化、位错积累和残余压应力，从而提高抗疲劳和抗磨损性能。然而，近年来研究发现，SSPD并不总是提高屈服强度：激光冲击喷丸可降低32CrNi钢的屈服强度；喷丸AA2124-T851的表观屈服强度降低被归因于自平衡残余应力。针对UNSM处理Inconel 718的有限元模拟虽复现了屈服强度降低现象，但所用材料为时效态，γ^′和γ^″沉淀强化与残余应力效应难以分离。为此，本研究采用固溶处理态Inconel 718，消除沉淀强化，以独立评估残余应力对表观屈服行为的影响。

研究人员对固溶处理态Inconel 718进行UNSM处理，比较处理前后（SS和SU条件）的微观组织、硬度、残余应力和单轴拉伸性能。研究发现，UNSM造成了约120 μm的严重变形层，表层硬度显著增加，并产生深达约300 μm的压缩残余应力场；然而表观屈服强度反而降低约40 MPa，极限抗拉强度几乎不变。通过封闭形式二维平面应力解，将自平衡残余应力纳入分析，预测表观屈服强度为530.3 MPa，与实验偏差仅2.9%。结果表明，表观屈服强度降低主要源于残余应力分布，而非材料内在强度退化。该研究为评估SSPD处理金属材料中残余应力诱导的屈服行为提供了一种简化解析方法，相关论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

主要技术方法包括：电子背散射衍射（EBSD）用于表征近表面变形层深度、晶粒尺寸和局部取向差；维氏硬度测试用于测量沿深度的硬度梯度；X射线衍射（XRD）结合逐层电化学抛光用于测定残余应力分布；单轴拉伸试验用于评估宏观屈服行为。此外，采用von Mises屈服准则和平面应力假设建立了解析模型，并利用自平衡条件计算芯部虚拟拉应力。

研究结果分为两部分。3.1 微观结构特征：EBSD显示SS试样微观结构均匀，存在机加工痕迹和退火孪晶；SU试样存在约120 μm严重变形层，反极图（IPF）显示晶粒显著细化，核平均取向差（KAM）图显示局部取向差增加，平均KAM值从1.132°增至4.092°，晶