锆及锆合金动态力学性能和绝热剪切行为研究

发布时间：2018-04-23 05:05

本文选题：锆合金 + 绝热剪切带　；参考：《燕山大学》2015年博士论文

【摘要】：绝热剪切导致的失效是材料在高应变速率加载条件下普遍存在的一种现象,对这一现象的研究有非常重要的理论意义和工程实际意义。本文利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和轧制等手段对锆及锆合金进行了一系列动态加载实验,对材料的动态变形行为、绝热剪切敏感性、剪切带的微结构演化以及剪切带引发的材料失效过程等进行了研究。利用SHPB技术对退火态和铸态纯锆进行了动态加载实验,分析了剪切带的演化过程与加载条件和材料组织状态之间的关系。选择Johnson-cook动力学本构方程描述了不同组织状态纯锆的动态本构行为,并确立了相关参数。建立了一个考虑热扩散效应对剪切带内部温升影响的计算模型,并利用此模型结合材料的动态应力-应变曲线对剪切带内部的温度进行了计算。利用TEM技术对剪切带进行了微结构分析,结合温度计算所得结果,剪切带内的微结构演化过程可描述为,局部化变形初始阶段剪切带内形成拉长的位错胞和亚晶,继续的变形过程中通过亚晶的转动和热力辅助形成晶粒尺寸100nm左右的等轴状再结晶晶粒,变形完成后的冷却阶段等轴晶粒不发生明显长大。基于分子动力学模拟所得结果和对动力学本构方程的相关分析,提出了一个剪切带形核和演化的唯象模型:高应变速率变形过程中,剪切带首先在材料缺陷或者应力集中处成核;然后沿着最大剪切应力方向快速扩展而穿透材料;继续的变形使剪切带的宽度逐渐增加。为了提高抗冲击性能,对锆进行了合金化,制备了Zr40Ti60合金,利用SHPB技术对铸态和热轧态的该合金进行了动态力学性能测试。研究表明,由于该合金中含有大量的针状次生?相,虽然合金动态强度较高,但是动态塑性却明显降低,导致该合金抗冲击性能较差,绝热剪切敏感性较高。在Zr40Ti60合金基础上,通过添加Al和V两种合金元素,制备了Zr34Ti51Al10V5合金,利用SHPB技术对锻造态、固溶态和固溶+时效态的该合金进行了动态力学性能测试。结果表明,锻造态和固溶+时效态合金由于含有较多细小的针状或片状?相,动态塑性极差,不足3%,绝热剪切敏感性极高。而固溶处理的该合金为纯β相,具有较好的动态强度和动态塑性的匹配。其中750℃固溶处理的合金动态强度约1700MPa,动态塑性约23%,具有最低的绝热剪切敏感性。基于实验结果,分析得出剪切带引发的材料失效是由剪切带内微孔洞的产生、微孔洞合并和链接形成微裂纹以及微裂纹沿着剪切带方向扩展所造成的。对铸态纯Zr和铸态Zr40Ti60合金进行了冷轧变形,分析了剪切带的形成和演化与轧制参数的关系。研究表明,在总变形量相同的条件下,单道次轧制过程容易在材料中形成剪切带,且随着变形量的增加剪切带的宽度逐渐增加。利用所建立的模型,对轧制过程中剪切带内部的温度进行了估计。结果表明,轧制过程由于应变速率相对较低,热扩散效应的影响十分强烈,导致剪切带内部的温度只是稍高于周围基体。TEM观察结果显示,由于变形引起的温升较低,轧制过程所形成的剪切带内部组织只表现为原始组织的拉长和碎化,未发生动态再结晶现象。
[Abstract]:In this paper , a series of dynamic loading experiments on zirconium and zirconium alloys have been carried out by means of a series of dynamic loading experiments on zirconium and zirconium alloys by means of the split Hopkinson pressure bar ( SHPB ) and rolling . The results show that the temperature in the shear zone is only slightly higher than that of the surrounding matrix . TEM observations show that the temperature rise due to deformation is lower , and the microstructure of the shear zone formed during the rolling process is only the elongation and fragmentation of the original tissue , and no dynamic recrystallization occurs .

【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.414

【参考文献】