高温合金广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温服役环境，屈服强度是评估其力学性能的关键指标。实际服役中，合金常经历长期时效（数百至数千小时），导致微观组织演变，进而影响屈服强度测试结果。本文聚焦长期时效处理对高温合金屈服强度测试的具体影响，结合微观机制与测试实践展开分析。
长期时效处理的定义与高温合金的时效特性
长期时效处理通常指合金在高于室温但低于固溶温度的环境中，保持数百至数千小时的热暴露过程，是模拟高温合金实际服役状态的关键手段。高温合金的时效特性源于其成分设计——通过添加Al、Ti、Nb等元素，形成γ'（Ni3Al、Ni3Ti）或γ''（Ni3Nb）等金属间化合物相，这些相在时效过程中会发生尺寸、形态与分布的变化，直接关联屈服强度。
与短期时效（数小时至数十小时）不同，长期时效的核心是“缓慢演变”：原子扩散充分，强化相从细小弥散逐渐向粗化、聚集转变，而这种转变的速率取决于时效温度——温度越高，原子扩散系数越大，相演变越快；温度越低，演变过程越平缓，但长期积累的变化仍显著。
需要说明的是，高温合金的时效特性具有“双重性”：短期时效可通过弥散强化提高屈服强度，但长期时效往往导致强化相粗化，反而降低屈服强度——这种反转是理解时效对测试结果影响的基础。
例如，某型镍基高温合金在700℃时效100小时时，γ'相尺寸约为20nm，屈服强度达1200MPa；而时效1000小时后，γ'相尺寸增至80nm，屈服强度降至950MPa，直接体现了长期时效的弱化效应。
长期时效下γ'强化相的演变对屈服强度的影响
γ'相是镍基高温合金的主要强化相，其与基体γ相的晶格错配（约0.5%~1.5%）会形成共格应变场，阻碍位错运动，从而提高屈服强度。长期时效中，γ'相的演变主要表现为“粗化”与“形态转变”：初始的球状γ'相因奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald Ripening），小颗粒溶解、大颗粒长大，尺寸逐渐增大。
当γ'相尺寸从纳米级增至亚微米级时，共格应变场的强度会显著降低——位错可通过“切过机制”或“绕过机制”穿过强化相：小尺寸γ'相时，位错切过相颗粒，需要克服共格应变能与相界面能；大尺寸γ'相时，位错更易绕过颗粒，形成位错环，此时强化效果由颗粒间距决定（根据奥罗万机制，屈服强度与颗粒间距的平方根成反比）。
此外，长期时效还可能导致γ'相的“形态劣化”：部分合金中，球状γ'相会转变为片状或棒状，这种形态变化会降低相的弥散度，进一步削弱强化效果。例如，IN738合金在850℃时效500小时后，γ'相从球状变为短棒状，尺寸从30nm增至150nm，屈服强度下降约20%。
值得注意的是，γ'相的演变具有“温度依赖性”：在临界温度以下（如低于750℃），粗化速率较慢，长期时效1000小时后尺寸仍可保持在50nm以内；而超过临界温度，粗化速率呈指数级增长，仅需数百小时即可导致屈服强度大幅下降。
碳化物析出与聚集对屈服强度测试结果的作用
高温合金中的碳元素会与Cr、Mo、W等元素形成M23C6、MC等碳化物，这些碳化物在长期时效中会从晶内或晶界析出，并逐渐聚集长大。碳化物对屈服强度的影响具有“两面性”：适量的细碳化物可钉扎位错，提高强度；但长期时效导致的粗碳化物会成为应力集中源，降低强度。
晶内碳化物的演变：初始时效时，晶内会析出细小的MC碳化物（如TiC、NbC），这些碳化物与基体共格，可阻碍位错运动；但长期时效后，MC碳化物会分解，形成更稳定的M23C6碳化物，且尺寸从数十纳米增至数百纳米，此时碳化物与基体的共格关系破坏，强化效果消失，反而成为位错滑移的通道。
晶界碳化物的影响更显著：长期时效中，晶界会析出连续的M23C6碳化物膜，这种膜会削弱晶界结合力，导致“沿晶滑移”易发生——在屈服强度测试中，当应力达到一定水平，位错会沿晶界滑移，而非穿越晶内，从而降低整体屈服强度。例如，GH4169合金在650℃时效2000小时后，晶界M23C6碳化物膜厚度达50nm，屈服强度较时效前下降约15%。
需要强调的是，碳化物的聚集程度与时效时间呈正相关：时效时间越长，碳化物尺寸越大，分布越不均匀，对屈服强度的负面影响越明显。某研究显示，GH3044合金在900℃时效100小时时，碳化物尺寸约为50nm，屈服强度为800MPa；时效1000小时后，碳化物尺寸增至300nm，屈服强度降至650MPa。
晶界结构变化与沿晶析出相对屈服强度的影响
高温合金的晶界是缺陷与溶质原子的富集区，长期时效会导致晶界结构发生两大变化：
一、晶界迁移，二是沿晶析出相（如碳化物、硼化物）的形成。这些变化会直接影响晶界的“抗滑移能力”，进而改变屈服强度测试结果。
晶界迁移：长期时效中，晶界会向能量较低的方向迁移，导致晶粒长大——晶粒尺寸增大意味着晶界数量减少，根据霍尔-佩奇关系（屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比），晶粒长大会降低屈服强度。例如，某型钴基高温合金在800℃时效500小时后，晶粒尺寸从20μm增至50μm，屈服强度下降约10%。
沿晶析出相的影响：除了碳化物，长期时效还会导致沿晶析出B2相（如NiAl）或Laves相（如Fe2Mo），这些相通常为脆性相，会在晶界形成“脆弱区”。在屈服强度测试中，当应力加载时，位错会优先在这些脆弱区滑移，导致晶界分离，从而降低屈服强度。例如，IN718合金在700℃时效3000小时后，沿晶析出大量Laves相，屈服强度较时效前下降约25%。
晶界清洁度的变化：长期时效中，晶界的溶质原子（如B、Zr）会逐渐耗尽，导致晶界“净化”——虽然净化可提高晶界的高温稳定性，但也会降低晶界的结合力，尤其是当沿晶析出相存在时，这种弱化效应更明显。某研究表明，GH4033合金在750℃时效2000小时后，晶界B元素含量从0.015%降至0.005%，屈服强度下降约12%。
时效温度与时间参数对屈服强度影响的量化规律
长期时效的两个关键参数是“温度（T）”与“时间（t）”，它们对屈服强度（σs）的影响可通过“时效弱化模型”量化：σs = σ0-k×(T^m × t^n)，其中σ0是时效前的屈服强度，k、m、n是与合金成分相关的常数。
温度的影响：温度对时效弱化的作用呈指数级——根据阿伦尼乌斯方程，原子扩散系数D = D0×exp(-Q/RT)，其中Q是扩散激活能，R是气体常数。温度越高，扩散系数越大，强化相粗化、碳化物聚集的速率越快，屈服强度下降越明显。例如，GH4169合金在600℃时效1000小时，屈服强度下降10%；而在700℃时效1000小时，屈服强度下降25%。
时间的影响：时间对屈服强度的影响呈幂律关系——t^n，其中n通常在0.1~0.5之间（取决于合金成分与温度）。例如，IN718合金在650℃时效时，n=0.3，即时效时间每增加10倍，屈服强度下降约20%（因为10^0.3≈2，k×2导致下降）。
参数交互作用：温度与时间的交互作用显著——高温短时间与低温长时间可能导致相似的弱化效果。例如，GH3039合金在800℃时效100小时，屈服强度下降15%；而在700℃时效500小时，屈服强度也下降15%。这种交互作用提示，在模拟实际服役状态时，需同时考虑温度与时间的综合影响。
测试加载速率与时效状态的交互作用
屈服强度测试的加载速率（通常为0.001~0.1/s）会与合金的时效状态产生交互作用，影响测试结果的准确性。对于时效后的合金，加载速率的影响主要源于“位错运动的时间依赖性”——即蠕变效应。
低加载速率下的影响：低加载速率（如0.001/s）会给位错足够的时间扩散，尤其是对于长期时效后的合金（强化相粗化、晶界弱化），位错更易通过蠕变机制（如位错攀移、晶界滑移）绕过障碍，导致测试的屈服强度偏低。例如，IN718合金在700℃时效1000小时后，用0.001/s加载速率测试，屈服强度为750MPa；而用0.1/s加载速率测试，屈服强度为800MPa，差异达50MPa。
高加载速率下的影响：高加载速率（如0.1/s）会抑制蠕变效应，位错需通过“强塑性变形”穿越障碍，此时时效状态的影响更显著——强化相粗化的合金在高加载速率下，屈服强度下降幅度更大，因为位错无法通过蠕变绕过粗化的强化相，只能强行切过或绕过，导致应力集中更明显。
交互作用的机制：加载速率与时效状态的交互本质是“时间尺度的匹配”——长期时效是慢过程，形成慢扩散的微观结构；低加载速率是慢测试过程，与微观结构的时间尺度匹配，导致更大的弱化；高加载速率是快测试过程，与微观结构的时间尺度不匹配，弱化效应被抑制。因此，在测试时效后的合金时，需严格控制加载速率，确保结果的可比性。
典型高温合金的长期时效对屈服强度影响案例
GH4169合金（我国牌号，对应IN718）：作为应用最广的高温合金，GH4169的主要强化相是γ''（Ni3Nb）与γ'相。在650℃长期时效中，γ''相会逐渐转变为更稳定的δ相（Ni3Nb的正交结构），δ相从针状逐渐粗化为片状。时效1000小时后，γ''相含量从15%降至5%，δ相含量从2%增至8%，屈服强度从1100MPa降至900MPa；时效2000小时后，δ相进一步粗化，屈服强度降至800MPa。
IN718合金（美国牌号）：与GH4169成分相似，但Nb含量略高。在700℃时效中，IN718的γ''相粗化速率更快——时效500小时后，γ''相尺寸从10nm增至50nm，屈服强度从1200MPa降至1000MPa；时效1000小时后，γ''相完全转变为δ相，屈服强度降至850MPa。此外，IN718的晶界Laves相析出更明显，时效1000小时后，沿晶Laves相含量达5%，导致屈服强度进一步下降。
GH4033合金（镍基固溶强化合金）：主要强化机制是固溶强化与少量γ'相强化。在750℃长期时效中，γ'相尺寸从20nm增至100nm，固溶元素（如Cr、Mo）逐渐析出，形成M23C6碳化物。时效1000小时后，屈服强度从900MPa降至750MPa；时效2000小时后，碳化物聚集严重，屈服强度降至650MPa。与沉淀强化合金相比，固溶强化合金的时效弱化速率更慢，但长期积累的变化仍显著。