Veil 38 No. 1Febeuaey 2021
Ti 穀臧
第38卷第1期2021年 2月
SPD 技术对错及错合金力学行为影响研究现状
郑 勇，魏连峰%，王 晶％，李洪玉％，郑云西％，齐振佳％，白力文％
(1.中国核动力研究设计院反应堆材料及燃料重点实验室，四川成都610041)
(2.中国核动力研究设计院四所，四川成都610041)
摘要：综述了错及错合金剧烈塑性变形(SPD )后性能变化的研究进展，系统阐述了错及错合金经剧烈塑性变形后显 微硬度、拉伸/压缩性能、高低周疲劳 ，重点介绍了 SPD 技术在 、Zr-Nb 系合金中的应用。经过剧烈塑性变
后，错及 合金的 度及屈服强度均显 升， 剧烈 成 、合金成分、第二相分布、热处理制度不同，其提升程度存在一定的差别。位错 及错合金高周疲劳的主要损伤机制，位错运动(包括位错
滑移及位错
)是错及错合金低周疲劳的主要损伤机制。文章最后指出现阶段错及错合金SPD 技术的发展趋势及
应用前景$
关键词：错及错合金；剧烈塑性变形；位错滑移；力学性能中图分类号：TG146. 4 +14
文献标识码：A 文章编号：1009-9964(2021 )01N45N4
Research Progres s on Mechanical Behavior of Zirconium and Its Alloy
during Severr Plastic Deformation
Zheng Yong 1，2，Wei Lianfeng 1，Wang Jing 1， Li Hongyu 1，Zheng Yunxi1， Qi Zhenjia 1，Bai Linen 1
(1. Science and Technology on Reactor Fuel and Materials Laborato w ，Nuclear Power Institute of China ，Chengdu 610041， China )
(2. The Fourth Research Institute ， Nuclear Power Institute of China ，Chengdu 610041， Chin
a )
Abstract : The research progress of propewies of zirconium and zirconium Llys aOer severe plastic defownation (SPD) was reviewed. The mOwhadnes, tensile/compressive propewies ， high and Iw cycle fatigue propewies of
zirconium and zirconium Llys after severe plastic deformation were systematically described. The application of SPD
technology in pure zirconium and Zr-Nb Llys was emphatically introduced. After severe plastic defownation ， the tensile strength and yield strength of zirconium and zirconium Llys are signCicantly improved ， but the degree of improvement is diAewnt accoWing to diAewnt severe plastic fowning twjecWw, Lloy composition ， second phase
reactor technologydistribution and heat treatment system. Dislocation slip is the main damage mechanism of high cycle fatigue of
zirconium and its alloys ， and dislocation movement (including dislocation slip and dislocation climb ) is the main damage mechanAm of Ww cycle fatigue of zirconium and its Lloys. At last ， the development trend and application
prospect of SPD technology on zirconium and zirconium Lloy are pointed out.
Key words ： zirconium and its alloy ; severe plastic defownation ； dislocation movement ; mechanical pwpeWy
及错合金具有非常低的热中子吸收截面，且 硬度高、延展 、耐
异， 用
技术领域，例如
堆一回路内的
、燃料板包壳、燃料棒包壳端
[1-3]$
收稿日期：2020-10 - 09基金项目： 科研 (K301012021)通信作者： (1990—)，，博士，助理研究员
应堆的高燃耗及高可靠性是降低其运维成本及提高
使用效率的有效方式，而常 合金的 、疲劳、
吸氢及
约了其进一
展，
对 合
金的综合 了更高的 ⑷。 对 堆
用错合金影响较大的 包括合金化、
成分、
氧浓度、基体金属应力、冷却剂成分、
子通
、表面状态及组织状态
[5-8]。当前大部分
钛工业进展
Titanium Industry Progress38卷46
研究集中在错合金氢化氧化腐蚀行为、织构对错合金腐蚀性能的影响及合金成分设计对错合金腐蚀性能的影响［9"10*。
霍尔佩奇公式指出多晶体的屈服强度与晶粒直径的-1/2次方成正比，即强度随着晶粒的细化（也就是晶界总面积的提高）而增大111*O因此，获得超细晶乃至更细的甚至是纳米晶组织的材料是学术及工业界长期追求的目标。制备超细晶/纳米晶的方法有很多，包括惰性气体凝聚原位加压法、高能球磨法（MA）、非晶晶化法和剧烈塑性变形法）12一14*O剧烈塑性变形（severe plastic deformation,SPD）是一种新兴的塑性变形方法，通过该方法可使合金在变形过程中引入较大应变，可达到传统变形方法所达不到的各个位置真应变大于1的变形量。通过引入较大的真应变而细化晶粒，甚至形成亚微米级或纳米量级的晶粒。经历一系列的发展，SPD技术的研究早已从理论探索阶段到达工业应用的阶段，尤其是提高耐腐蚀性使其在实际应用中很有前景，例如SPD技术制备的细晶耐候钢的耐腐蚀性较粗晶耐候钢显著提高［15*O
本文概述了剧烈塑性变形技术对错及错合金力学性能的影响，介绍了SPD技术制备下的错及错合金的力学行为，包括显微硬度、室温及高温下的性能及高低周疲劳性能的影响，并对该技术在错及错合金的用
对力学方面的前
进行了展望，以促进该技术在第4代核反应堆燃料错合金包壳材料加工中的应用。
1SPD技术简介
SPD技术是在静水压力状态下，通过单次或累积方式对工件施加远远超过常规塑性变形方法的剧烈塑性变形，累积等效应变$7$SPD技术一般需满足以下3个特点％（1）采用该技术可获得亚微米或者纳米尺度的结构；（2）亚微米或者纳米结构在材料内均匀分布，且稳定存在；（3）材料在变形过程中不能出现机械损伤或者裂纹〔16*$SPD技术特征在于较低温度下（变形温度&0.42）获得无结构相变及成分改变的均匀分布大角晶界且晶粒尺寸小于1p m 块体材料，从而达到强化合金力学性能的目的。与传统塑性成形方式（例如锻造、挤压、轧制）相比，SPD技术最大优势在于采用剪切、扭转或者组合的方体组织，进的方法实现金属材料力学性能改善，其强化方法包括但不限于再结晶细化、交替剪切细化、位错细化、q 、和转、体相
等方法［17*，主要成形技术包括高压扭转、等通道弯角挤压、累积叠轧、扭转挤压和多向锻造等技术，被改善的力学性能包括但不限于拉伸、压缩、疲劳、蠕变、冲击和剪切等性能。
2SPD对错及错合金力学性能的影响
2.1SPD技术对拉伸/压缩性能的影响
Royachcv等人〔18*研究了Zr-Nb合金在不同温度下高压扭转变形后组织和性能的变化。室温下经过高压扭转变形后，Zr-vb合金试样内部形成纳米尺度的亚晶组织，试样边缘及心部显微硬度提升，且边缘显微硬度提升显著，最大值可提高至2.8倍。在室温及200C下进行高压扭转变形，对Zr-Nb合金硬化效果明显；400C下变形，硬化效果弱于室温及200C，其硬化效果主要来源于!-Zr!）-Zr+0-Zr 的相变。因此，可在低温条件下利用高压扭转方法能促进Zr-Nb合金发生!-Zr!）-Br+0-Zr的相转变，从而提升性能。
蔡文华〔⑼通过对比粗晶态纯错经过等通道弯角
挤压变形（ECAP）及ECAP+退火后的动态应力响应行为，从而明确了ECAP变形方式对纯错室温拉伸及压缩变形行为的影响。由图1所示粗晶纯错经过ECAP变和ECAP+退火后的工程力-变
可，在相变，的态力
他状态，ECAP变形纯错及ECAP+退火后纯错的压缩屈服强度远高于粗晶态纯错，ECAP变形后的延伸率优于粗晶态纯错$在相同变形条件下，ECAP变形和ECAP+退火后纯错的应变速率敏感性指数：值均大于粗晶态纯错。
Stepanovv等人）20*通过多向锻造技术获得了超细晶Zr-1Nb合金，其平均晶粒尺寸为（0.25±0.1）!m$
从细晶组织及经过多向锻造获得的超细晶组织在400C条件下拉伸的真应力-真应变曲线可以看出：拉伸曲线可分成3个部分，即应变硬化、稳定变形和应力下降3个阶段；与细晶组织的Zr-1Nb合金明显不同的是，超细晶组织的Zr-1Nb合金在拉伸过程中的应变硬化过程不明显。同时，超细晶组织的Zr-1Nb合金屈服强度和抗拉强度明显要好于细晶组织，抗拉强度提高了近50%，屈服强度提高了近
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图1粗晶、ECAP变形和ECAP+350C退火纯错的工程应力-应变曲线[19]
Fig.1Engineering stress-strain curves of pure zirconium at dCferent strain rates:(a)coarse grain state；
(b)ECAP；(c)ECAP+annealing
1倍，但是延伸率有。多向锻造ZrNNb合金
经过退火处理后，延伸率有一定的，故在向
锻造后退火工艺，保屈服强度及抗拉
度较显，同时保伸率
$
及错合金经过高压扭转、等径转角挤压及多
向锻造等方式变形后，度及屈服强度均显
升，剧烈成、合金成分、第二
相分布、热处理工艺不同，升程度存在一定的
差别。
2.2SPD技术对疲劳性能的影响
西荣等［21］对道弯压+旋锻复合工艺
制备的的组织及进行了研究。复合
工艺下纯错的尺寸可细化至250nm，基体存在大错胞、位错及少量亚晶$度升1-14倍，屈服提升1.9倍。粗晶纯错在周循环加载过程中，经软化后硬化的过程，n
的变响表变饱和，疲劳极限升70%$的周疲劳实验结果表明：力幅较低时，局部区域存在位错束；力幅的，基体错由转变，因错周疲劳损伤$的疲劳条纹工更
直，如图2所示，疲劳裂纹扩展缓慢。
西荣等［22］向对变控制方法对等道弯压+锻复合工艺备的的周疲劳进行了研究。结果表明：总变幅决了的软硬；变幅
时，软化速率，当总变幅大于1.0%时，展软；总变幅的大，滞后面大，“象”在变幅的时$对的周疲
图2不同晶粒尺寸纯错的疲劳断口形貌［21］Fig.2Fatigue fracture morphologies of pure zirconium with dCferent grain sizes：(a,b)coarse crystalline；
(c,d)u/rOine crysWOine
劳进行了分，果表明疲劳
Coffin-Manson经验关系式$的周疲劳类型，疲劳裂纹扩展错运动所
$
3结语
错合金自20世纪60年代末已取代不锈钢，作冷堆燃料包壳及材料，堆子损失显少，核燃料利用率获得显，堆照损伤、吸、应力及-包相互作用对械危害极大，限制了错合金的使用$SPD技术能够显升错及错合金的度和屈服强度，成、合金成分、第二相分布、热处理度，升程度存在一的差别$周疲劳，力幅，错由
钛工业进展
Titanium Industry Progress38卷48
束状结构转变为胞状结构，疲劳条纹更加细小平直，位错滑移是超细晶错及错合金高周疲劳的主要损伤机制。低周疲劳下，“棘齿现象”出现在应变幅较小的时刻，总应变幅决定了其循环软硬化特性，位错运动(包括位错滑移及位错攀移)是超细晶错及错合金低周疲劳的主要损伤机制。
在航空航天及汽车工业等领域，为满足零部件高强高韧性及其他性能协同发展，SPD技术已获得长足发展，并在实际生产过程中不断获得认可。然而在核工业领域，SPD技术在错及错合金中的应用研究较少，在各类核用关键牌号错合金中的应用还未得到广泛推广，因此需针对SPD成形后错及错合金的辐照损伤、吸氢腐蚀、应力腐蚀及芯块-包壳相互作用等进行研究，评估宏观组织、微观形貌及服役性能，从而优化错及错合金SPD工艺，进一步提升核用错及错合金的综合性能。
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