Modelling the orientation and direction dependence of the critical resolved shear stress of nickel-base superalloy single crystals

• Published in: Acta materialia Vol. 48; no. 3; pp. 689 - 700
• Main Authors: Österle, Werner, Bettge, Dirk, Fedelich, Bernard, Klingelhöffer, Hellmuth
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Oxford Elsevier Ltd 09.02.2000; Elsevier Science
• Subjects: Applied sciences; Cross-disciplinary physics: materials science; rheology; DEFORMATION; DISLOCATIONS; Exact sciences and technology; High temperature mechanical properties; MATERIALS SCIENCE; MATHEMATICAL MODELS; Metals. Metallurgy; MONOCRYSTALS; Nickel alloy; NICKEL BASE ALLOYS; ORIENTATION; Phase diagrams and microstructures developed by solidification and solid-solid phase transformations; Physics; SLIP; Solidification; STRAIN RATE; STRESSES; Tension–compression asymmetry; High temperature mechanical properties; Nickel alloy; Tension–compression asymmetry; Dislocations; Nickel base alloys; Monocrystals; Crystal orientation; Slip system; Mechanical properties; Modelling; Property structure relationship; Experimental study; Superalloys; Critical resolved shear stress; Multi-element alloys; Strain rate
• ISSN: 1359-6454; 1873-2453
• DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00404-8

The orientation and direction dependence of the critical resolved shear stress was determined experimentally for the chromium-rich superalloy SC 16 at 650, 750 and 850°C and a constant strain rate of 10 −3 s −1. The results are used to establish an extended Schmid law for octahedral slip in the temperature and orientation range in which cross-slip pinning of dislocation pairs in the γ′ phase takes place. Normal Schmid behaviour was assumed for orientations near [111], for which cube slip was activated on a macroscopic level. Differences between some commercial superalloys are worked out and can be attributed to morphology and volume fraction of the γ′ phase. The orientation dependence and asymmetry effects increase in the order NIMONIC 105, SC 16, René N4. The orientation range where macroscopic cube slip can be expected increases in the same order. A close inspection of the parameters which are responsible for non-Schmid behaviour suggests that, in addition to cross-slip pinning, a matrix effect must be operating as well, partly counteracting the behaviour expected for mono-phase γ′ crystals. La dépendance de la cission réduite critique en fonction de l’orientation et de la direction du chargement a été identifiée expérimentellement aux températures de 650, 750 et 850°C et pour une vitesse de déformation de 10 −3 s −1 pour le superalliage à forte teneur en chrome SC16. Ces résultats sont utilisés pour établir une loi de Schmid généralisée pour le glissement octaédrique et pour le domaine de température et d’orientation pour lequel le blocage des dislocations par glissement dévié dans la phase γ′ a lieu. On suppose la validité de la loi de Schmid classique pour les orientations voisines de [111], pour lesquelles le glissement cubique est observé macrocopiquement. Des différences entre quelques superalliages commerciaux ont été relevées qui peuvent être attribuées à la morphologie et à la fraction volumique de la phase γ′. La dépendance en fonction de l’orientation et l’asymétrie augmentent dans le sens NIMONIC 105, SC16, René N4. Le domaine d’orientation dans lequel le glissement cubique macroscopique a lieu croit dans le même ordre. L’examen des paramètres responsables des déviations à la loi de Schmid suggère que, en plus du blocage par glissement dévié, un mécanisme de déformation de la matrice doit être actif, lequel contrebalance en partie le comportement typique de la phase γ′. Für die chromreiche Superlegierung SC16 wurde die Orientierungs- und Richtungsabhängigkeit der kritischen Schubspannung bei den Temperaturen 650, 750 und 850°C bei konstanter Verformungsgeschwindigkeit experimentell ermittelt. Das Verformungsverhalten musste mit einem erweiterten Schmid Gesetz beschrieben werden, und zwar in dem Parameterbereich in dem die Verankerung von Versetzungspaaren in der γ′-Phase durch lokales Quergleiten erfolgte. In der Nähe der [111]-Orientierung galt das klassische Schmid Gesetz für das Gleiten auf Würfelebenen. Unterschiede im mechanischen Verhalten verschiedener Superlegierungen konnten auf das γ- γ′-Gefüge zurückgeführt werden. Die Legierungen NIMONIC 105, SC 16 und René N4 zeigen eine zunehmende Tendenz der Abweichung vom klassischen Schmid-Verhalten. In der selben Reihenfolge nimmt auch die Neigung zur Ausbildung von Gleitbändern auf Würfelebenen zu. Eine Analyse der Parameter des erweiterten Schmid Gesetztes ergab, dass zusätzlich zur γ′-Verfestigung ein Versetzungsmechanismus in der Matrix stattfinden muss, der die Wirkung der für die γ′-Phase typischen Eigenschaften teilweise kompensiert.