實驗背景

隨著航空航天等領域產(chǎn)品小型化的發(fā)展，綜合性能優(yōu)異的鎳基高溫合金薄板已成為這些領域的微型元件的關鍵材料。然而，由于鎳基高溫合金復雜的初始微觀結構和多種強化機制，其在細觀尺度上的塑性變形行為極其復雜。因此，在細觀尺度上揭示尺寸效應對鎳基高溫合金薄板成形極限的影響機制，是一個亟待解決的關鍵問題。

DIC技術實驗內(nèi)容

實驗采用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像相關法（DIC）技術，搭建一個具有高精度應變測量設備的測試平臺，用于研究細觀尺度的成形極限，分析初始微觀組織對鎳基高溫合金薄板細觀尺度成形能力的影響。

采用DIC技術獲得不同初始組織的成形極限圖（FLDs），揭示微觀組織在不同應變路徑下對細觀尺度塑性變形行為的影響，為深入研究尺寸效應對細觀尺度成形性的影響機理和微構件的制備奠定了良好的基礎。

GH4169 合金薄板在細觀尺度下的成形極限試驗試樣尺寸

選用冷軋退火GH4169鎳基高溫合金薄板（厚度150mm）作為實驗材料，DIC技術分析成形過程變形極限。通過單軸拉伸試驗、中島脹形試驗獲取成形極限FLD。采用6種尺寸的成形極限試樣，試件1 ~ 3號采用單軸拉伸試驗設計，試件4~6號采用中島脹形驗設計。

XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像相關（DIC）技術，在成形極限試驗或理論預測中，準確識別局部縮頸的發(fā)生，DIC技術可準確捕獲頸縮點對應的應變。

細觀尺度下的單軸拉伸試驗

為保證實驗的準確性，采用介觀尺度DIC技術方法的中島脹形試驗裝置。半球形凸模的直徑為 10 mm。為了實時獲得脹形過程中試樣表面的三維(3D)形貌，采用DIC技術設備裝置搭配的高速攝像機250ms的間隔實時采集試樣的照片，當試樣完成后，DIC技術設備采集實驗停止。

介觀尺度下的DIC技術測試脹形試驗

固溶處理GH4169合金在不同溫度(a) 1050℃下的晶粒分布圖和晶粒尺寸分布;(b) 1150°C;(c) 1250°C

通過高分辨透射電子顯微鏡（TEM）表征獲取顯微結構

GH4169 合金薄板在細觀尺度上的成形極限

確定塑性變形極限應變的關鍵是捕捉試件發(fā)生頸縮的瞬間。通過XTDIC-3D數(shù)字散斑應變測量分析系統(tǒng)計算的主應變演化結果，DIC技術分析主應變與加載試驗時間的關系。在單軸拉伸試驗和脹形試驗中，試樣發(fā)生塑性變形時確定應變集中點，DIC技術軟件繪制應變集中點處主應變隨采集照片序列的變化曲線，如下圖所示。

微型試件頸縮起始時間的確定方法(a)單軸拉伸試驗；(b)脹形試驗

在塑性變形過程中，將試件塑性變形過程中主應變突然增大所對應的時刻定義為縮頸初始時刻，并將此時刻的應變集中點定義為縮頸點。

通過計算可以得到單軸拉伸試驗和脹形試驗過程中對應的成形極限的極限主應變和極限小應變值，對應于FLD中一個加載路徑下的一個成形極限點，通過實驗結果進處理得到完整的FLD。

極限主、小應變的測定方法

GH4169 合金薄板固溶處理后的FLDs;(b)時效 1 h;(c)老化 12h;(d)時效 24 h

不同應變路徑下的塑性變形行為

利用XTDIC-3D數(shù)字散斑應變測量與分析系統(tǒng)，DIC技術計算GH4 169合金薄板中尺度成形極限試驗過程中的實際應變路徑。晶粒尺寸為106.1 m m、時效1h試樣的實際應變路徑：

理論設計和實驗中的應變路徑

不同初始組織的GH416 9合金薄板在中尺度成形極限時的應變路徑：

GH4169 合金薄板固溶處理后的載荷路徑:(a)固溶處理;(b)時效1 h;(c)老化12h;(d)時效24 h

GH41 69合金薄板變形機制

不同組織的 GH41 69 合金薄板在不同應變路徑下的變形行為

GH4169 合金薄板1號試樣變形行為

GH4169合金薄板6號試樣變形行為

DIC技術測試實驗結論

實驗通過構建基于新拓三維DIC技術的中尺度成形極限評價測試平臺。采用單軸拉伸試驗和脹形試驗研究具有不同初始組織的GH4169合金薄板在細觀尺度上的成形性能。主要結論如下:

（1）GH4169合金薄板的成形性能隨著t/d的降低、Y”/Y’相粒度和體積含量的增加而降低。在細觀尺度上，尺寸效應影響GH416 9合金薄板的成形極限，其中Y”/Y’相的存在影響尺寸效應。

（2）基于表面層理論和韌性斷裂理論，揭示了t/d相和Y”/Y’相對GH4169合金薄板細觀成形極限的影響。 自由表面晶粒引起的表面粗化和析出相導致的位錯運動受阻的耦合作用導致應變部化，降低了鎳基高溫合金薄板在介觀尺度上的成形性能。

案例摘自：【Qiang Zhu, Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures Manufacturing of Ministry of Education. Size effect on the forming limit of a nickel-based superalloy thin sheet at the mesoscopic scale.】