锆合金微观形变机制的原位衍射实验研究

对于六方晶系锆合金这种在核工业具有重要应用背景的关键材料虽然备受关注，但由于受传统研究手段的限制，无法获得形变过程中材料内部的各类微观机理详细信息。本课题将发展先进的中子衍射和高能X射线衍射技术研究特定力学和温度加载过程中锆合金材料的位错、孪晶、形变织构、应力分布以及微观结构动力学等特征信息，采用电子背散射衍射和电子显微镜等手段辅助分析材料变形前后的微观组织结构与晶粒取向分布，用于阐述六方晶系材料形变过程中微结构演化与交相互作用机理。通过课题研究将构建多维-多尺度应力场的实时表征和分析新技术，有助于发挥我国新建大型科学研究平台的作用；揭示锆合金晶体学特征、多尺度应力和织构等之间的关系及其对材料组织与性能的影响，可为精确评估材料服役安全性和寿命预测提供实验依据，并可在金属变形机制（包括微应力和晶粒取向旋转）的理论模型发展方面作出应有贡献。

锆合金作为核能结构材料使用时，其在外部环境（载荷、温度等）作用下的形变行为直接影响材料的使用寿命，关系到材料的服役安全。因此，课题以Zr-4合金为研究对象，在国内自主建立了与中子衍射联用三维多尺度应力场原位测量方法与装置，并利用原位中子衍射和同步辐射技术研究了加载方式及温度对其形变行为的影响。研究发现：（1）Zr-4合金在单轴拉伸作用下，室温时整个塑性形变过程中柱面{10−10}<11−20>（<a>型）滑移起主导作用；250℃下当塑性形变量小于2%时，柱面{10−10}<11−20>（<a>型）滑移起主导作用，当塑性形变量大于2%时，锥面滑移起主导作用。两个温度下的晶间应力均随塑性形变量的增加而增加。（2）Zr-4合金在单轴压缩作用下，TTC加载时，柱面{10−10}<11−20>（<a>型）滑移起主导作用；IPC加载时，在弹性变形阶段及较小形变量的塑性变形阶段，柱面{10−10}<11−20>（<a>型）滑移在起主导作用，当塑性形变量大于1.7%时，{10-12}<10-11>型TTW出现，在宏观σ-ε曲线上的不同硬化阶段，柱面{10−10}<11−20>（<a>型）滑移、锥面{10−11}<11−20>（<a>型）滑移、锥面{10−11}<11−23>（<c+a>型）滑移和{10-12}<10-11>型TTW所占形变机制的百分比不同。（3）基于对Zr-4合金在不同温度、不同加载方式下的形变机制的分析，将发展的Zr-4合金EPSC模型嵌入ABAQUS/Standard，利用ABAQUS直观地给出实际工件在外载作用下的应力分布及变形后的形态，并给出应力/应变的各个分量的三维分布信息，该方法还可以应用于微结构更加复杂的金属材料，对精确评估材料服役安全性和寿命预测具有重要价值。（4）解决了原位中子衍射实验和分析方法上的技术难题，并利用发展的最新原位衍射技术揭示了其它材料晶体学特征、多尺度应力和织构等关系及其对材料组织与性能的影响，仪器研制申请国家发明专利，并发表SCI论文10余篇（其中5篇影响因子大于3）。研究进展得到了科技日报和新华网等国内主流媒体的报道，做大会报告和开展国内外学术交流10余次，对金属变形机制、应力和织构普适方法与理论构建研究具有重要意义。