工业纯超细晶钽和钨的塑性变形及断裂行为研究

工业纯超细晶钽和钨的塑性变形及断裂行为研究金属钽和钨是难熔体心立方金属中的典型代表,其高原子序数、高密度、高弹性模量和良好的高温强度等优异的性能使它们在军事、化工、核工业等各个领域均有不可替代的工业应用。然而在高温下制备的钽和钨晶粒粗大,影响了其强度、塑性等力学性能,使其应用范围受到了限制。迄今为止,通过等径角变形等剧烈塑性变形方法,已经可以制备出致密的块体超细晶钽和钨。通过细化晶粒,材料的强度得到了有效的提高,同时钨的韧性也可以大幅提高。相比于面心立方金属,对难熔体心立方金属的研究工作,尤其在超细晶尺度下的研究相对较少。变形机制和断裂机制等内因以及塑性变形条件等外因对其塑性变形行为和断裂行为的影响等基础问题,仍然是需要进一步研究的重要课题。本文从热激活理论为切入点,通过剧烈塑性变形和热处理调控显微组织,并设计力学性能试验,根据它们在工业应用中存在的主要矛盾,分别以钽为代表,研究晶粒尺寸、变形温度对应变速率敏感性指数的影响,通过热激活参数的测定,研究其塑性变形机制;以钨为代表,研究晶粒尺寸、位错密度、孔隙、塑性应变、断裂模式等因素对其断裂行为的影响。主要研究内容和结论如下:(1)在经典热激活理论中,为了简化相关计算和推导,将滑移时的位错近似地看做一根刚性的直线段。人们在fcc金属中的林位错机制下发现了这种近似所造成的偏差,在bcc金属中还缺乏相关的研究。本文在经典热激活理论框架基础上,根据fcc与bcc金属中位错滑移的不同特征,提出了同时适用于bcc和fcc金属的基于弯结运动的位错滑移机制的物理模型。在此模型基础上推导出了新的位错滑移主导的塑性变形时的应变速率方程,建立了更精确的应变速率敏感型指数与激活体积的定量关系。采用应变速率突变实验和循环应力松弛实验分别测量了超细晶钽的应变速率敏感性指数和激活体积,实验结果与理论计算值匹配良好。(2)剧烈塑性变形后的超细晶材料加工硬化已经接近饱和,位错进一步增殖的能力有限,在拉伸实验中往往屈服以后很快进入塑性失稳阶段,发生颈缩。这造成了在均匀变形阶段难以进行应变速率突变实验测定其应变速率敏感性指数。本文通过解析分析,证明了在应变速率突变实验中,可以在塑性失稳阶段,利用工程应力和工程应变计算出与在均匀变形阶段等效的应变速率敏感性指数。解决了在超细晶材料中测量应变速率敏感性指数困难的问题。(3)实验证实bcc金属钽在低温下塑性变形时的速率控制机制是双弯结形核机制,激活体积不随晶粒尺寸和位错结构而变化。研究表明塑性变形时流变应力中与温度无关的长程内应力是影响bcc金属应变速率敏感性指数的主要原因,并导致了应变速率敏感性指数随位错密度增加、晶粒尺寸减小而显著减小的现象。(4)塑性变形机制的转变会影响其宏观力学行为,研究表明在Tc<T<Ta的中间温度范围内,短程应力的温度敏感性显著降低。但对于其速率控制机制,目前还存在争议。一方观点认为随着温度的升高,速率控制机制从螺位错以单个双弯结形核转变为多个双弯结形核机制;另一方观点认为随着温度的升高,螺位错的可动性随之增加,速率控制机制将从双弯结形核机制转变为林位错机制。本文通过力学试验对激活体积、亥姆霍兹激活能、短程应力及其对温度敏感性的测定,并结合理论推导,证实了在此温度范围内,塑性变形仍然以位错滑移机制主导,但位错滑移的速率控制机制从双弯结形核机制转变为林位错机制。(5)一般认为,晶粒尺寸越小,位错密度越大,工业纯钨的韧性越高。本文通过调控微观组织,得到与文献一般规律相反的组织与韧性关系的实验结果,发现了纯钨的韧性对加工历史的依赖性,从而明确了在剧烈塑性变形中,塑