工業(yè)純超細晶鉭和鎢的塑性變形及斷裂行為研究

工業(yè)純超細晶鉭和鎢的塑性變形及斷裂行為研究金屬鉭和鎢是難熔體心立方金屬中的典型代表,其高原子序數(shù)、高密度、高彈性模量和良好的高溫強度等優(yōu)異的性能使它們在軍事、化工、核工業(yè)等各個領域均有不可替代的工業(yè)應用。然而在高溫下制備的鉭和鎢晶粒粗大,影響了其強度、塑性等力學性能,使其應用范圍受到了限制。迄今為止,通過等徑角變形等劇烈塑性變形方法,已經可以制備出致密的塊體超細晶鉭和鎢。通過細化晶粒,材料的強度得到了有效的提高,同時鎢的韌性也可以大幅提高。相比于面心立方金屬,對難熔體心立方金屬的研究工作,尤其在超細晶尺度下的研究相對較少。變形機制和斷裂機制等內因以及塑性變形條件等外因對其塑性變形行為和斷裂行為的影響等基礎問題,仍然是需要進一步研究的重要課題。本文從熱激活理論為切入點,通過劇烈塑性變形和熱處理調控顯微組織,并設計力學性能試驗,根據(jù)它們在工業(yè)應用中存在的主要矛盾,分別以鉭為代表,研究晶粒尺寸、變形溫度對應變速率敏感性指數(shù)的影響,通過熱激活參數(shù)的測定,研究其塑性變形機制;以鎢為代表,研究晶粒尺寸、位錯密度、孔隙、塑性應變、斷裂模式等因素對其斷裂行為的影響。主要研究內容和結論如下:(1)在經典熱激活理論中,為了簡化相關計算和推導,將滑移時的位錯近似地看做一根剛性的直線段。人們在fcc金屬中的林位錯機制下發(fā)現(xiàn)了這種近似所造成的偏差,在bcc金屬中還缺乏相關的研究。本文在經典熱激活理論框架基礎上,根據(jù)fcc與bcc金屬中位錯滑移的不同特征,提出了同時適用于bcc和fcc金屬的基于彎結運動的位錯滑移機制的物理模型。在此模型基礎上推導出了新的位錯滑移主導的塑性變形時的應變速率方程,建立了更精確的應變速率敏感型指數(shù)與激活體積的定量關系。采用應變速率突變實驗和循環(huán)應力松弛實驗分別測量了超細晶鉭的應變速率敏感性指數(shù)和激活體積,實驗結果與理論計算值匹配良好。(2)劇烈塑性變形后的超細晶材料加工硬化已經接近飽和,位錯進一步增殖的能力有限,在拉伸實驗中往往屈服以后很快進入塑性失穩(wěn)階段,發(fā)生頸縮。這造成了在均勻變形階段難以進行應變速率突變實驗測定其應變速率敏感性指數(shù)。本文通過解析分析,證明了在應變速率突變實驗中,可以在塑性失穩(wěn)階段,利用工程應力和工程應變計算出與在均勻變形階段等效的應變速率敏感性指數(shù)。解決了在超細晶材料中測量應變速率敏感性指數(shù)困難的問題。(3)實驗證實bcc金屬鉭在低溫下塑性變形時的速率控制機制是雙彎結形核機制,激活體積不隨晶粒尺寸和位錯結構而變化。研究表明塑性變形時流變應力中與溫度無關的長程內應力是影響bcc金屬應變速率敏感性指數(shù)的主要原因,并導致了應變速率敏感性指數(shù)隨位錯密度增加、晶粒尺寸減小而顯著減小的現(xiàn)象。(4)塑性變形機制的轉變會影響其宏觀力學行為,研究表明在Tc<T<Ta的中間溫度范圍內,短程應力的溫度敏感性顯著降低。但對于其速率控制機制,目前還存在爭議。一方觀點認為隨著溫度的升高,速率控制機制從螺位錯以單個雙彎結形核轉變?yōu)槎鄠€雙彎結形核機制;另一方觀點認為隨著溫度的升高,螺位錯的可動性隨之增加,速率控制機制將從雙彎結形核機制轉變?yōu)榱治诲e機制。本文通過力學試驗對激活體積、亥姆霍茲激活能、短程應力及其對溫度敏感性的測定,并結合理論推導,證實了在此溫度范圍內,塑性變形仍然以位錯滑移機制主導,但位錯滑移的速率控制機制從雙彎結形核機制轉變?yōu)榱治诲e機制。(5)一般認為,晶粒尺寸越小,位錯密度越大,工業(yè)純鎢的韌性越高。本文通過調控微觀組織,得到與文獻一般規(guī)律相反的組織與韌性關系的實驗結果,發(fā)現(xiàn)了純鎢的韌性對加工歷史的依賴性,從而明確了在劇烈塑性變形中,塑