بررسي تغيير‌شكل خزشي در اَبَر آلياژهاي تك كريستالي پايه نيكل با استفاده از پلاستيسيته‌ي نابجايي‌هاي گسسته

Discrete dislocation plasticity investigation of creep deformation in nickel-based single crystal superalloys

خزش در دماي بالا در اَبَر آلياژ‌هاي تك كريستالي پايه نيكل با استفاده از پلاستيسيته نابجايي‌هاي گسسته مورد بررسي قرار مي‌گيرد. براي اين منظور، يك مدل سلول واحد دو بعدي از ميكرو ساختار اَبَرآلياژ تحت تنش تك محوري ثابت استفاده مي‌شود كه متشكل از فاز گاما (به صورت ماتريس) و فاز گاماپريم (به صورت ذره) مي‌باشد. در حالي كه تغييرشكل در فاز گاما به صورت الاستيك و پلاستيك ناشي از حركت گلايد و صعود نابجايي‌ها مي‌باشد، تغييرشكل در فاز گاماپريم تركيب رفتار الاستيك و نفوذ سطحي (در سطح مابين فازها) مي‌باشد. حركت صعود نابجايي‌ها هم درگير با نفوذ تهي‌جايي‌ها مي‌باشد كه به صورت صريح در نظر گرفته شده‌اند. اين مدل، علاوه بر اينكه توصيف مناسبي از شروع مرحله سوم خزش در اَبَرآلياژها براي شرايط دمايي و تنشي متوسط را ارائه مي‌دهد، بررسي اثر پارامترهايي مانند درصد حجمي ذرات گاماپريم را در رفتار خزشي اَبَرآلياژها فراهم مي‌نمايد. شبيه‌سازي‌هاي صورت گرفته براي سه مقدار درصد حجمي ذرات گاماپريم نشان مي‌دهد كه اين پارامتر نقش مهمي در مقاومت خزشي اَبَرآلياژها دارد. نتايج حاصل از اين تحقيق مي‌تواند در معادلات ساختاري مربوط به مدل‌سازي‌هاي كانتينيومي از اجزاي سازه‌اي مورد استفاده قرار گيرد.

High temperature creep in nickel-based superalloys is investigated by discrete dislocation plasticity (DDP). A two-dimensional unit cell model representing micro-structure of superalloy and comprising 𝛾′ particles in 𝛾 matrix phase is considered under uniaxial constant stress loading. While plastic deformation of 𝛾 phase occurs by a combination of dislocation glide and dislocation climb coupled to the diffusion of vacancies, elastic 𝛾′ particles undergo deformation due to the stress-driven interfacial diffusion at the 𝛾/𝛾′ interfaces in addition to bulk elastic deformation. It is noted that diffusion of vacancies is explicitly considered where local concentration of vacancies determines climb of dislocations. This model predicts the onset of tertiary creep in superalloys as extensively observed in experiments for commercially important nickel-based superalloys at moderate stress and temperature levels. Possible associated mechanisms are accordingly discussed. Moreover, effects of parameters such as volume fraction of 𝛾′ particles are studied and discussed. Superalloys with three values for volume fraction of 𝛾′ particles are investigated and obtained results indicate that the volume fraction of 𝛾′ particles plays an important role in the creep behaviour of superalloys. Results of this study can be used in a continuum constitutive rule to investigate structural components under operational conditions.