鋯合金變形機理及其板材織構演化規律

李麥海，王 興

(西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201)

1 前言

鋯的熱中子俘獲截面極低，并且具有優良的機械加工性能，因而成為原子反應堆芯的優良結構材料，也可以應用于制作核反應堆中鈾燃料元件的包殼和壓力管。它處在核反應堆核能裂變反應、核能轉換成熱能的釋發部位，是防止反應堆放射性裂變產物向外逸出的首道屏障，需經受高溫、高壓、強腐蝕、沖刷、輻射環境的考驗。提高鋯合金的性能對整個核工業的發展有著重要的意義［1-2］。鋯合金的織構對它的屈服強度、疲勞強度等力學性能、應力腐蝕開裂行為以及輻照尺寸變化等都會產生很大影響，因此，變形機理和織構控制在鋯合金的開發利用中具有重要的意義。

2 塑性變形機理

純鋯在室溫下的晶格結構為密排六方晶體，c/a為1.593。鋯為有相變的金屬，在低溫區間為α密排六方結構，在862℃轉變為β體心立方結構，并一直保持至熔點。鋯合金的α相是密排六方結構，滑移系統的數目較少，所以常溫下的形變無法由滑移獨立完成，而是和孿生共同完成的。滑移和孿生對形變的作用取決于晶粒在應力場中的相對位向，并且受到變形溫度和受力狀態的影響。與理想密排六方結構相比，α-Zr的c/a值的減小增大了棱柱面的間距，這使得棱柱面的堆垛密度較基面有所增大，從而有利于棱柱面上的滑移而不是基面上的滑移［3-5］。圖1為密排六方晶體點陣的滑移系，而表1中列出了鋯合金的主要形變系統以及相應的形變條件［5］。

圖1 密排六方晶體點陣的滑移系Fig.1 The slip planes and slip direction in the hexagonal crystal

表1 鋯合金的形變滑移系統Table 1 The slip systems for deformation of zirconium alloy

Tenckhoff認為，低溫時，{1 010}<1210>滑移所需的臨界分切應力很高，鋯合金的形變主要是通過{1 012}<1011>、{1 121}<1126>和{1 122 }<1123>孿生完成，其中{1 012}<1011>、{1 121 }<1126>是壓型孿生，{1 122 }<1123> 是拉型孿生［3］。拉型孿生是指孿生使c軸拉長，而壓型孿生指孿生使c軸壓縮。研究認為，{1 122 }<1123>拉型孿生在低溫下對形變的貢獻最大，它的最大切變量為0.63，遠遠大于其他幾個孿生系統的切變量。也有研究認為，{1 010}<1210>棱柱面滑移在整個溫度區間均能被激活。室溫下，鋯合金的主要形變系統是{1 010}<1210>棱柱面滑移，而當合金的晶體取向不利于{1 010}<1210>滑移時，上述3種孿生仍會出現，其作用在于調節晶體的取向，促進進一步滑移，使滑移和孿生交替進行，這是鋯合金在室溫具有良好塑性的關鍵原因。隨著變形溫度升高，一方面{1 010}<1210>棱柱面滑移系的臨界分切應力顯著降低，而且另一方面可以啟動的滑移系統增加(包括基面滑移和錐面滑移)，{1 010 }<1210>和{0 111}<1210>滑移系就可分別提供2個和4個獨立的滑移系統，可以滿足多晶體連續協調變形的要求，此時形變以滑移為主而孿生對形變的貢獻減小［6-9］。

3 鋯合金板材的織構演化及影響因素

軋制溫度、變形量、應變速率以及退火制度等都會對鋯合金的織構產生影響，其中最為重要的是軋制溫度的影響。冷軋和α相低溫區熱軋鋯板材的織構基本保持一致，大部分晶粒的［0002］基軸旋轉聚集在與軋向垂直的ND-TD平面上，并且其角度偏離軋面法向30°左右，從(0002)極圖(見圖2)看表現為主要集中在極圖的中心部位(ND方向)。這是因為在 α相低溫區軋制，{1 010 }<1210>滑移系是主要的形變系統，所以在此溫度范圍內軋制，主要形成［0002］基軸沿軋面法向取向的織構［10-11］。對N18新鋯合金板材織構的研究也表明［12］，α/(α+β)相變點附近經熱軋—冷軋—再結晶退火后，主要的織構類型不變。

圖2 冷軋和α相低溫區熱軋后鋯合金板材的(0002)極圖Fig.2 (0002)pole figures measured after cold-rolled and hot-rolled in α phase low temperature field

在α相高溫區軋制鋯合金時，與在α相低溫區軋制不同，{1 011 }<2113>和{1 121 }<2113>錐面滑移是主要的形變系統，所以軋制后形成基極取向集中于軋面法向的織構，見圖3［13］。

圖3 α相高溫區熱軋后鋯合金板材的(0002)極圖Fig.3 (0002)pole figures measured after hot-rolled in α phase high temperature field

在β相區內軋制鋯合金，遵循的是bcc結構的形變機理。bcc結構金屬的形變織構主要是(100)［011］、(113)［110］、(111)［011］、(112)［110］。由于鋯合金的 β→α相變遵循(100)β‖(0002)α關系，可通過分析鋯合金的［0002］基軸取向情況，確定試樣在β相區軋制時所形成的織構類型。圖4為鋯合金板材在980℃軋制時形成的(0002)極圖。可見鋯合金在β相區軋制形成了集中的(111)［011］織構。

圖4 β相區熱軋鋯合金板材的(0002)極圖Fig.4 (0002)pole figures measured after hot-rolled in β phase field

鋯合金板在兩相區軋制后的織構并非是α相和β相形變織構的簡單疊加。在兩相區的低溫區(840、880℃)軋制后的織構取向(見圖5a、b)與α相區軋制后的基本一樣。這說明α相晶粒仍然按照hcp結構的形變機理發生變形，少量的β相晶粒并未對形變織構產生影響。但是隨著軋制溫度升高和β相體積分數的增加，ND反極圖中出現了［1011］和［1010］取向，經940℃軋制后，試樣的ND反極圖(見圖5c)中除了［1011］和［1010］取向外，還出現了較強的［1013］和［1012］取向和［1120］取向［14-15］。

圖5 α+β相區熱軋鋯合金板材的反極圖Fig.5 Inverse pole figures after cold-rolled and hot-rolled in α + β phase

鋯合金板材的織構在退火過程中隨退火溫度的不同而變化。當鋯合金板材在α相區退火時，板材的織構會發生變化，這些變化一般認為受其再結晶過程的密切影響。在400℃以下退火，織構更為集中，且基平面傾斜角度有微小變化，這些是再結晶過程中由亞晶界的變形和亞晶的生長引起的，或是某些取向的晶粒優先生長引起的。在400～800℃退火后，(0002)極圖基本保持不變，但原來在ND方向的單一最強分布變成向TD方向傾斜約30°的雙峰分布。在相變點以上進行退火熱處理，會形成新的織構［16］。

4 織構對鋯合金板材各項異性的影響

由于材料存在晶體學織構，即某些晶體學取向比其它取向更加擇優排列，因而在宏觀力學性能上往往表現為各向異性。鋯合金板材在軋制方向上具有高度集中的{1 120}基極，其性能也表現為高度的各向異性。實驗表明［17］，室溫下其屈服強度在軋向上為364 MPa，而在與軋制方向成67.5°方向為497 MPa。Tome等人［18］的實驗結果也表明，室溫下沿軋向和法向壓縮時其屈服強度可相差1倍，如圖6所示［18］。

圖6 鋯合金板材不同方向的應力-應變曲線Fig.6 The stress-strain curves of zirconium alloy

板材在退火過程中，因變形而被拉長的晶粒會發生再結晶，該再結晶過程隨著退火溫度的提高而加快，進而引起板材織構的減弱，導致其各向異性的變化。但鋯合金板材在退火過程中由于再結晶過程導致新的織構產生，致使織構對其力學性能的影響始終存在，只有在α相區的高溫區其影響才開始減弱［19-20］。圖7為鋯合金經不同溫度退火后其軋向和橫向的延伸率。可以看出，隨著退火溫度的提高，板材的橫縱向延伸率之間始終存在差異，縱向延伸率比橫向的大，在接近300℃左右時差距最大;當退火溫度接近400℃時，橫縱向延伸率才開始接近，但仍然存在差別。

圖7 退火溫度對鋯合金軋向和橫向延伸率的影響Fig.7 The influence of annealing temperature on elongation along RD and TD of zirconium alloy

5 結語

由于鋯合金中的織構會影響其在反應堆內的眾多應用性能，因此對織構的研究非常重要。目前國內外學者已深入進行了許多鋯合金織構對堆內、堆外包殼材料性能的影響研究，但對鋯合金加工后的織構進行精確預測還十分困難，需進行詳細而深入的研究。同時在加工中產生的織構對加工過程的影響以及與溫度、應力分布、合金成分和組織的關系還需進一步認識。

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