【摘 要】
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Zr合金因其耐腐蚀性,耐辐照性和尺寸稳定性好广泛应用于核工业中。然而Zr合金的强度和塑韧性较低,不能满足结构件的要求。采用传统强化方法对Zr合金处理时,虽然能使强度得到提升,但其塑性往往会大幅度降低。最新研究结果表明,通过引入梯度、层状等非均匀结构,可以有效改善材料强度与塑性的不匹配关系。为此,本文采用热轧复合、扩散退火等方法成功制备了层状及层状梯度结构Zr/Ti材料。利用SEM、EDS和EBSD
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Zr合金因其耐腐蚀性,耐辐照性和尺寸稳定性好广泛应用于核工业中。然而Zr合金的强度和塑韧性较低,不能满足结构件的要求。采用传统强化方法对Zr合金处理时,虽然能使强度得到提升,但其塑性往往会大幅度降低。最新研究结果表明,通过引入梯度、层状等非均匀结构,可以有效改善材料强度与塑性的不匹配关系。为此,本文采用热轧复合、扩散退火等方法成功制备了层状及层状梯度结构Zr/Ti材料。利用SEM、EDS和EBSD等技术对Zr/Ti层状复合材料的微观结构进行表征,并通过单轴拉伸、压缩以及硬度试验对其力学性能进行测试。该研究结果可为锆合金的强化、基于非均匀结构调控金属材料强塑性能等提供参考,具有重要的理论与工程意义。在对Zr/Ti层状结构复合板进行不同温度和保温时间退火时,发现层状结构Zr/Ti复合板由交替的Zr层/界面层/Ti层组成,界面区域Zr、Ti元素成梯度分布。与轧制态复合板相比,退火可显著提升Zr/Ti层状结构复合板的强度,其主要机制是界面层的固溶强化和组织细化诱导强化。与原始材料相比,Zr/Ti层状结构复合板的强度和延性获得了协同提升,这可能与材料的特殊层状梯度结构有关。在对比拉伸与压缩性能时,发现Zr/Ti层状结构复合板中存在拉/压不对称现象,这可能与孪生变形和非对等扩散引起的微孔有关。Zr和Ti之间形成的固溶体（界面层）塑性很差,但在塑性较好的Ti层和Zr层的约束下,Zr/Ti固溶体（界面层）可以承受较大的塑性变形。为了进一步研究层状及层状梯度结构对强塑性能的影响,我们设计并制备了不同厚度的Zr/Ti层状及层状梯度结构材料。随着层厚增加,层状结构Zr/Ti材料的强度逐渐降低,这一现象主要是由于界面层的占比降低、晶粒尺寸增大、层间距增大等原因引起。为了说明层状结构在Zr/Ti层状结构材料中具体影响,通过三种方式对界面层强度进行了预测。计算结果表明,基于不同成分均匀Zr-Ti合金的平均强度与基于不同层厚Zr/Ti层状梯度结构外推拟合的强度相近,而与基于层状梯度结构材料符合Hall-Petch关系外推的强度差异较大。在界面层强度计算基础上,进一步比较了层状结构Zr/Ti材料的实测强度与基于组元材料体积混合强度之间的差异。研究表明,随着层厚的降低,层状结构提供的额外强化效果越不明显,这一现象可能与界面影响区相互重叠有关。除此之外,层状梯度结构Zr/Ti材料的强度也随着层厚的增加而逐渐降低,这可能与层间距变化引起的尺寸效应有关。
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