初始取向对锆合金热压缩变形微观组织及织构演变的影响

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金属及合金材料在塑性变形过程中消耗的功,只有约5-10%的能量被材料本身吸收并以弹性应变能及增加金属中晶体缺陷的形式存储起来,而在这些存储能中,约80-90%的能量与金属中位错的产生、运动及交互作用有关,因此,不同滑移系之间的交互作用会影响金属材料在热变形中的存储能释放以及相关的再结晶过程。研究表明材料在变形过程中滑移与孪生的开启还与材料的初始织构密切相关,因此,初始织构会影响金属材料在退火过程中的回复及再结晶过程,进而影响金属材料的微观组织及织构。锆合金属于六方结构金属,滑移系少、变形抗力高,采用热变形能有效降低变形抗力,提高可加工性,但其在热变形过程中的微观组织及织构演变主要由动态再结晶(DRX)过程决定,因此,锆合金热变形过程中的DRX过程和DRX机制研究对调控材料的微观组织及织构具有重要意义。本文通过系统研究不同初始取向锆合金在不同变形温度及应变速率下热压缩变形过程中的微观组织及织构演变规律,对比分析引起微观组织及织构差异的原因,探索滑移及孪生与DRX之间的内在联系,从而更加深入地了解锆合金的DRX行为和机理,为生产中调控锆合金微观组织提供实验数据及理论支撑。本文以具有基面双峰织构的Zr-1Sn-0.3Nb板材和具有基面织构和不同晶粒尺寸的Zr 702板材为研究对象,采用热压缩实验和电子背散射衍射(EBSD)、透射菊池衍射(TKD)及透射电子显微镜(TEM)等微观表征技术,并结合粘塑性自洽(VPSC)模拟,对锆合金热变形过程中的变形模式开启情况进行系统研究,在不同变形温度、应变速率、应变量和初始晶粒尺寸条件下,全面系统地探讨了由不同初始取向导致的不同变形机制对锆合金热变形过程的DRX机制、微观组织及织构演变的影响规律。研究工作的主要结论如下:(1)Zr-1Sn-0.3Nb合金在700 oC、应变速率为0.001 s-1和1 s-1的变形初期,VPSC模拟结果表明,基面滑移、柱面滑移、锥面<a>滑移及锥面<c+a>滑移在0o样品中同时开启,而柱面滑移、锥面<a>滑移和基面滑移在90o样品中大量开启。高应变速率(1 s-1和10 s-1)变形抑制了晶界滑动及晶界迁移,DRX机制主要为形变储存能驱动晶界凸出形核,此时多种滑移系(特别是锥面<c+a>滑移)的同时开启会形成更大的形变存储能,进而促进DDRX的发生。另外,当应变速率为10 s-1时,{101?1}孪晶的启动会加速DRX过程,这主要是由于{101?1}孪晶处存在的高位错密度及孪晶分裂为DRX形核提供了更多的形核位置。在低应变速率(0.001 s-1)下,DRX机制主要为原始晶界凸出及亚晶长大,此时锥面<c+a>滑移在变形初期是否大量开启对DRX过程影响较小,而在变形初期晶粒的转动会促进亚晶界取向差的增大,进而促进DRX过程。(2)Zr-1Sn-0.3Nb合金在700 oC下以应变速率0.001 s-1、1 s-1和10 s-1变形时,0o和90o两种取向样品的塑性变形会影响再结晶晶粒的取向,使其与变形晶粒取向保持一致,导致两种取向样品的最终织构主要由变形机制而非DRX机制决定。0o样品的织构状态稳定,多种滑移系的协同开启不会导致织构出现重大改变;90o样品变形初期基面滑移的开启使得晶粒<c>轴由远离压缩方向朝向压缩方向靠拢,而大量柱面滑移的开启使得晶粒{101?0}面平行于板材法向(RD),最终形成基面双峰织构组分和强烈的{101?0}//RD织构。(3)Zr-1Sn-0.3Nb合金在300-650 oC以应变速率0.001 s-1变形时,DRX机制随着温度的升高而显著变化。300 oC时,DRX与锥面<c+a>滑移的开启有关,更容易发生交滑移及攀移的锥面<c+a>滑移大量开启,会促进大角度晶界甚至是亚微米级晶粒的形成;400-550 oC时,高的变形温度促进了晶界迁移,DRX机制由动态回复(DRV)为主转变为原始晶界凸出形核为主;550-650 oC时,DRX机制为原始晶界凸出及亚晶长大,DRX开始发生所需的临界位错密度随着变形温度的升高而降低,且在500-650 oC温度范围内,多种滑移系(特别是锥面<c+a>滑移)在变形初期的同时开启会促进DDRX发生。(4)为了降低锆合金中第二相颗粒对晶界迁移的影响,本文选用了Zr 702纯锆研究不同初始晶粒尺寸条件下初始取向对锆合金热压缩变形微观组织的影响。Zr702在700 oC以0.001 s-1应变速率变形时,DRX机制主要为晶界凸出及亚晶长大,此时初始晶粒尺寸对DRX行为的影响较小,说明了相比于变形初期通过原始晶界凸出形核,变形中后期的亚晶长大机制占据主导地位,并且锥面<c+a>滑移是否大量开启和原始晶界的面积分数对亚晶长大机制影响很小。随着初始晶粒尺寸的增大,晶界数量的减少使得DRX开始所需的临界应变增大,另外,晶粒内部更高的位错密度促进了连续动态再结晶(CDRX)。
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