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冷轧和退火对V-5Cr-5Ti合金组织结构和抗辐照硬化性能的影响

牛孟珂 杨义涛 张崇宏 韩旭孝 李增德

牛孟珂, 杨义涛, 张崇宏, 韩旭孝, 李增德. 冷轧和退火对V-5Cr-5Ti合金组织结构和抗辐照硬化性能的影响[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
引用本文: 牛孟珂, 杨义涛, 张崇宏, 韩旭孝, 李增德. 冷轧和退火对V-5Cr-5Ti合金组织结构和抗辐照硬化性能的影响[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
Mengke NIU, Yitao YANG, Chonghong ZHNAG, Xuxiao HAN, Zengde LI. The Effect of Cold Rolling and Annealing on the Microstructure and Irradiation Hardening Resistance of V-5Cr-5Ti Alloys[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
Citation: Mengke NIU, Yitao YANG, Chonghong ZHNAG, Xuxiao HAN, Zengde LI. The Effect of Cold Rolling and Annealing on the Microstructure and Irradiation Hardening Resistance of V-5Cr-5Ti Alloys[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006

冷轧和退火对V-5Cr-5Ti合金组织结构和抗辐照硬化性能的影响

doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFB0702200);国家基金委大科学装置联合基金项目(U1532262)
详细信息
    作者简介:

    牛孟珂(1995–),女,河北涉县人,硕士研究生,从事凝聚态物理研究;E-mail:niumengke@impcas.ac.cn

    通讯作者: 杨义涛,E-mail:yangyt@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: O517.6

The Effect of Cold Rolling and Annealing on the Microstructure and Irradiation Hardening Resistance of V-5Cr-5Ti Alloys

Funds: National Key Research and Development Program of China(2017YFB0702202); National Science Foundation of China (U1532262)
More Information
  • 摘要: 钒合金(V-5Cr-5Ti)是聚变堆第一壁以及包层的重要候选结构材料。不同加工工艺会对钒合金在聚变堆中的服役性能产生影响。本文利用兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的337 MeV的高能Fe离子对不同程度冷轧(冷变形量分别为40%、60%和80%)以及冷轧后退火(1 273 K退火1 h)的V-5Cr-5Ti合金样品进行了辐照,研究了不同的冷轧和退火处理过程对材料抗辐照硬化性能的影响。电子背散射衍射技术(EBSD)测试结果显示,随着冷变形量的增加,样品中细小破碎晶粒比例增大,晶粒平均尺寸减小。退火处理后,细小破碎晶粒出现一定程度的长大,大晶粒几乎全部消失,晶粒尺寸分布更加均匀。维氏硬度结果表明随着冷变形量的增加,硬度随之增加,退火后硬度降低。辐照之后,材料硬度升高,出现了辐照硬化效应。在冷轧样品和退火样品中都观察到了辐照硬化效应随冷变形量的增加显著减弱的现象,这表明冷变形可以显著提高材料的抗辐照硬化能力。结合EBSD和硬度数据,对冷变形和退火处理引起钒合金抗辐照硬化性能变化的机理进行了讨论。讨论结果显示,冷轧使材料总的吸收尾闾增大,引起辐照硬化程度降低,退火处理使材料中晶界密度和位错密度降低,材料的总吸收尾闾降低,辐照硬化效应增加。
  • 图  1  (在线彩图)位移损伤随深度的分布曲线

    辐照剂量为0.5 dpa,对应离子通量为8.8×1015 ions/cm2,右侧为减能盘铝箔厚度。

    图  2  (在线彩图)冷轧和退火处理后V-5Cr-5Ti合金的EBSD

    (a) 40% CW;(b) 60% CW;(c)80% CW;(d) 40% CW+annl;(e) 60% CW+annl;(f) 80% CW+annl。

    图  3  (在线彩图)冷轧和退火处理后V-5Cr-5Ti合金的晶粒尺寸统计

    图  4  (在线彩图)80% CW和80% CW+annl的V-5Cr-5Ti合金的H-h曲线

    (a)空白样;(b)辐照样

    图  5  (在线彩图)80% CW和80% CW+annl的V-5Cr-5Ti合金的H2-1/h曲线

    (a)空白样;(b)辐照样。

    图  6  (在线彩图)冷轧及退火处理后的V-5Cr-5Ti合金的硬度值H0

    图  7  (在线彩图)冷轧和退火处理后的V-5Cr-5Ti合金辐照前后的硬度增量ΔH对比

    表  1  V-5Cr-5Ti合金振动抛光参数

    实验材料振幅/%时间/h
    40% CW204
    60% CW204
    80% CW3021
    40% CW+annl204
    60% CW+annl306
    80% CW+annl204
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    表  2  V-5Cr-5Ti合金的硬度值以及拉伸性能

    实验材料辐照前硬度/(kgf·mm–2)辐照后硬度/(kgf·mm–2)辐照后硬度增量ΔH/(kgf·mm–2)屈服强度/MPa[30]延伸率/%[30]
    40% CW234.5±1.2254.4±1.719.9±2.9649.7±5.312.3±0.9
    60% CW241.7±0.8257.0±0.815.3±1.6711.7±9.57.0±1.1
    80% CW271.8±1.3280.6±1.28.8±2.5748.3±4.78.3±0.5
    40% CW+annl177.4±0.8210.0±1.932.6±2.7317.0±6.532.3±1.2
    60% CW+annl176.7±1.0213.1±3.536.4±4.5325.3±5.929.2±1.0
    80% CW+annl214.3±1.8235.6±0.521.3±2.3382.7±0.926.2±3.1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-19
  • 修回日期:  2021-03-16

冷轧和退火对V-5Cr-5Ti合金组织结构和抗辐照硬化性能的影响

doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2017YFB0702200);国家基金委大科学装置联合基金项目(U1532262)
    作者简介:

    牛孟珂(1995–),女,河北涉县人,硕士研究生,从事凝聚态物理研究;E-mail:niumengke@impcas.ac.cn

    通讯作者: 杨义涛,E-mail:yangyt@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: O517.6

摘要: 钒合金(V-5Cr-5Ti)是聚变堆第一壁以及包层的重要候选结构材料。不同加工工艺会对钒合金在聚变堆中的服役性能产生影响。本文利用兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的337 MeV的高能Fe离子对不同程度冷轧(冷变形量分别为40%、60%和80%)以及冷轧后退火(1 273 K退火1 h)的V-5Cr-5Ti合金样品进行了辐照,研究了不同的冷轧和退火处理过程对材料抗辐照硬化性能的影响。电子背散射衍射技术(EBSD)测试结果显示,随着冷变形量的增加,样品中细小破碎晶粒比例增大,晶粒平均尺寸减小。退火处理后,细小破碎晶粒出现一定程度的长大,大晶粒几乎全部消失,晶粒尺寸分布更加均匀。维氏硬度结果表明随着冷变形量的增加,硬度随之增加,退火后硬度降低。辐照之后,材料硬度升高,出现了辐照硬化效应。在冷轧样品和退火样品中都观察到了辐照硬化效应随冷变形量的增加显著减弱的现象,这表明冷变形可以显著提高材料的抗辐照硬化能力。结合EBSD和硬度数据,对冷变形和退火处理引起钒合金抗辐照硬化性能变化的机理进行了讨论。讨论结果显示,冷轧使材料总的吸收尾闾增大,引起辐照硬化程度降低,退火处理使材料中晶界密度和位错密度降低,材料的总吸收尾闾降低,辐照硬化效应增加。

English Abstract

牛孟珂, 杨义涛, 张崇宏, 韩旭孝, 李增德. 冷轧和退火对V-5Cr-5Ti合金组织结构和抗辐照硬化性能的影响[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
引用本文: 牛孟珂, 杨义涛, 张崇宏, 韩旭孝, 李增德. 冷轧和退火对V-5Cr-5Ti合金组织结构和抗辐照硬化性能的影响[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
Mengke NIU, Yitao YANG, Chonghong ZHNAG, Xuxiao HAN, Zengde LI. The Effect of Cold Rolling and Annealing on the Microstructure and Irradiation Hardening Resistance of V-5Cr-5Ti Alloys[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
Citation: Mengke NIU, Yitao YANG, Chonghong ZHNAG, Xuxiao HAN, Zengde LI. The Effect of Cold Rolling and Annealing on the Microstructure and Irradiation Hardening Resistance of V-5Cr-5Ti Alloys[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2021006
    • 由于具有优异的高温强度、低活化性以及与液态锂较好的相容性等优点,钒合金是聚变堆第一壁和包层的重要候选结构材料[1-4]。结构材料在服役过程中会受到中子辐照,当中子和材料中原子相碰撞后,会通过级联碰撞产生离位原子(点缺陷),以及通过(n, α)反应产生氦原子,因此聚变堆结构材料在服役期间将会面临高离位损伤以及高浓度的氦原子。这些点缺陷进一步演化,将会形成大尺寸的缺陷团簇,会导致辐照硬化/脆化、高温氦脆、热蠕变等辐照效应,导致材料的宏观力学性能失效[5-6]。研究表明,在400 ℃以下辐照时,材料中会形成位错环,导致明显的辐照硬化,延伸率急剧下降,韧脆转变温度(DBTT)升高[7]。因此低温(Ti<400 ℃)时的辐照硬化/脆化问题是钒合金作为先进核能系统结构材料需要关注的一个重点问题。

      在钒合金抗辐照硬化性能的研究中发现,Cr元素可以提高材料的高温强度,Ti元素可以提高材料与液态锂的相容性,但当Cr和Ti总含量大于10%时,钒合金的韧脆转变温度会明显提升[8-10]。目前钒合金的最优合金元素配比为V-(4-5)Cr-(4-5)Ti。除合金元素的影响外,加工工艺也能够显著影响材料的性能。例如,冷轧通过细化晶粒以及增加位错密度或者形成位错网可以显著提高材料的强度,但是冷轧产生的不均匀组织会对材料的断裂韧性产生负面影响[11-12]。热处理工艺可以显著改善冷轧导致的组织结构不均匀性,提高材料的韧性。同时,材料中的晶界、位错以及析出相等可以有效捕获辐照过程中产生的点缺陷,能够有效抑制缺陷团簇的形核生长,降低辐照硬化效应[13-16]。不同加工工艺下材料中的晶界、位错密度不同,材料的宏观力学性能和抗辐照硬化性能也有显著差异。目前对钒合金辐照效应的研究多集中在杂质元素对He泡和对析出相的影响[17-19],以及合金成分对辐照硬化、辐照脆化的影响[20-22],有关冷变形和热处理工艺对辐照硬化影响的研究较少。同时已有的研究涉及的材料成分(V-Cr、V-Ti等二元组分材料或添加Si、Y等元素的V-Cr-Ti合金)、加工工艺(冷变形量、退火温度和退火时间等)和性能的表征方法(屈服强度、拉伸强度和维氏硬度)均有一定差异,不同研究结果之间相互对比有一定困难[23-24]。因此,本文拟对同批次制备的经过不同冷变形和退火处理的钒合金的抗辐照硬化性能进行研究。

      由于离子辐照参数精确可控,可以在短时间积累较高的离位损伤,辐照后样品的感生放射性低,便于后续测试分析,因此常利用载能离子束开展材料的辐照损伤机理研究[25]。本文利用兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的高能重离子辐照条件,对不同冷轧和退火处理对V-5Cr-5Ti合金抗辐照硬化性能的影响进行了研究。

    • 实验中采用的样品为V-5Cr-5Ti合金,样品成分为V-4.86Cr-4.98Ti-0.01C-0.004N-0.038O(质量分数)。样品采用真空电子束熔炼制备,在室温下冷轧,变形量分别为40%, 60%和80%,最后在1 273 K进行真空退火(1 h)处理。实验采用两组样品,一组只经过冷轧处理(标记为40% CW、60% CW和80% CW),另一组冷轧后经过1 273 K退火处理(标记为40% CW+annl、60% CW+annl和80% CW+annl)。两组样品均沿冷轧方向进行切割,样品尺寸为5 mm×15 mm。辐照前样品表面用SiC砂纸进行抛磨(从800~2 400目),最后用SiO2悬浮液(0.5 μm)进行精抛得到平整表面。

      辐照实验是在HIRFL的高能辐照终端SFC-T1进行,采用能量为337 MeV的56Fe21+离子进行辐照。入射离子在材料中引入的离位损伤在沿入射方向是非均匀分布的,损伤峰值主要在离子射程末端。在本实验中,我们采用了梯度减能装置(一系列不同厚度的铝箔),使入射离子的动能逐级衰减,实现从材料近表面至30 μm深度范围内的准均匀辐照损伤坪区。图1为利用SRIM 2013计算得到的离位损伤(dpa)随深度分布的曲线,计算过程中V、Cr和Ti的离位阈能分别取40, 40和30 eV[26]。减能装置的铝箔厚度信息在图1右侧给出。样品辐照的总剂量为8.8×1015 ions/cm2,对应的损伤为0.5 dpa。辐照过程中样品固定在一个φ20 mm的银质控温样品台上,同时在样品背面固定了热偶以监测辐照过程中的温度。辐照过程中热偶的读数保持在(100±5) ℃。

      图  1  (在线彩图)位移损伤随深度的分布曲线

      为了获得冷轧和退火处理对样品组织结构产生的影响,对精抛后的样品进行了震动抛光处理(标乐,VibroMet2,振动抛光的参数见表1),并进行了电子背散射衍射(EBSD,Symmetry,Oxford Instruments)测试。EBSD测试过程中,将垂直于轧制方向作为样品表面的法向量,分别在50X、100X和500X下以4~4.5 μm的扫描步长进行晶粒表征,使用取向成像显微分析(Orientation Imaging Microscopy,OIM),对错配角大于15°的晶粒进行晶粒尺寸统计。采用微硬度测试对不同处理后样品的硬度以及辐照后样品硬度进行表征(维氏硬度,INNOVATEST FALCON 608)。在维氏硬度测试中,每个样品选取了9个不同的载荷(0.01,0.015,0.02,0.025,0.05,0.1,0.02,0.5,1.0 kgf)进行测量,每个载荷下测量5~8个点,该载荷下的硬度值取其平均值。每次测试过程中载荷保持时间为10 s。为了保证两点之间不相互影响,每个测试点之间距离大于3~5倍压痕对角线的尺寸。

      表 1  V-5Cr-5Ti合金振动抛光参数

      实验材料振幅/%时间/h
      40% CW204
      60% CW204
      80% CW3021
      40% CW+annl204
      60% CW+annl306
      80% CW+annl204
    • 图2为冷轧和退火处理后V-5Cr-5Ti合金的EBSD结果。从图2(a)~(c)可以发现,冷轧样中出现了大量破碎的细小晶粒,以及沿冷轧方向形变的大尺寸晶粒。随着冷轧程度的增加,破碎晶粒的比例增加,且破碎晶粒更加细小;大尺寸晶粒比率逐渐下降,且沿着轧制方向的变形更加明显。从图2(d)~(f)中可以发现,在1 273 K退火1 h后,沿冷轧方向变形的大晶粒消失,破碎晶粒长大。在V-4Cr-4Ti合金中,我们也发现了这一类似现象,冷轧导致晶粒破碎且晶粒沿冷轧方向拉长,退火后材料中发生了再结晶过程,晶粒长大[24]

      图  2  (在线彩图)冷轧和退火处理后V-5Cr-5Ti合金的EBSD

      为进一步分析冷轧和退火对晶粒的调控作用,对错配角大于15°的晶粒进行了尺寸统计。由于冷轧样的组织非均匀性对统计结果有较大影响,统计过程中排除了尺寸大于150 μm的晶粒,统计结果如图3所示。可以看出,冷轧样的晶粒尺寸分布较广,范围从10到140 μm。随着冷轧程度增加,小尺寸晶粒所占的比例逐渐增加,晶粒平均尺寸降低。尤其在80% CW时,尺寸在10~15 μm范围内的晶粒占比显著增加。另外从图3中可以看出,与相同变形量的冷轧样品相比,退火后样品的平均晶粒尺寸增加,但是其晶粒尺寸的分布范围变窄。相较于冷轧样中晶粒分布的单一衰减,退火样中晶粒分布出现类似正态分布。随着冷轧程度增加,退火样品的晶粒尺寸分布的峰值逐渐向左偏移,曲线变得尖锐,其正态分布情况更加明显。在80% CW+annl的样品中,无超过90 μm的晶粒出现,这说明80% CW+annl的样品晶粒更细且分布更加均匀。另外,在图2 EBSD结果中,40% CW和60% CW样品中晶粒分布区别不大,但退火后,相较于40% CW+annl样品,60% CW+annl样品中晶粒平均尺寸更小且分布更加均匀,这可能是由于60% CW样品的晶粒中引入了较大比例的亚晶界,退火后晶粒细化明显。

      图  3  (在线彩图)冷轧和退火处理后V-5Cr-5Ti合金的晶粒尺寸统计

      冷轧过程中,沿着冷轧方向,晶粒会被拉长,并伴随着晶粒破碎,产生小晶粒。EBSD的结果表明,晶粒的破碎和冷轧程度密切相关,但破碎程度和变形量并不是单一线性相关,在40%和60%CW仍有许多大晶粒存在,而在80% CW时破碎小晶粒的比例急剧增加。这表明,钒合金冷轧过程中存在冷变形阈值,在变形量达到这一阈值时晶粒显著细化。退火过程中,由于晶界能增加,细小晶粒会吞并周边晶粒进行长大,因此与相等变形量的冷轧样相比,退火样的平均晶粒尺寸较大,但其晶粒的分布变窄,组织均匀性大幅度改善。

    • 利用维氏硬度计对辐照前后不同冷变形和退火处理的样品进行了硬度测试。为下文中的讨论方便,根据维氏硬度压头的几何形状与维氏硬度的定义,将不同载荷下的硬度转换为不同压入深度下的硬度,如图4所示。可以看到,随着压入深度的增加,硬度逐渐减小,这一现象被称作压痕尺寸效应(Indentation Size Effect, ISE)[27-28]。为了消除压痕尺寸效应的影响,基于几何必需位错模型(Geometrically Necessary Dislocation, GND),Nix等[29]和建立了Nix-Gao模型,该模型可以从实验数据得到不依赖压入深度的硬度值H0(材料的宏观体硬度):

      图  4  (在线彩图)80% CW和80% CW+annl的V-5Cr-5Ti合金的H-h曲线

      $$ \frac{H}{{H}_{0}}=\sqrt{1+\frac{{h}_{0}}{h}} , $$

      其中:h0为特征长度,与材料以及压头几何参数相关;h为压入深度;H为对应深度处的硬度值。从公式可以发现,H2和1/h具有线性关系,对实验测得的数据进行处理得到H2-1/h曲线,如图5所示,H0为硬度数据线性拟合曲线在Y轴截距的平方根。

      图  5  (在线彩图)80% CW和80% CW+annl的V-5Cr-5Ti合金的H2-1/h曲线

      图5(a)中,空白样的硬度随深度拟合结果表现出良好的单线性关系,而图5(b)中,辐照样的H2和1/h之间由单线性转变为双线性。这主要是由于随着载荷的增加,压头下的塑性变形区随之增加,当压头下的塑形变形区由辐照层扩展到基体的未辐照层时,对应的硬度数据就偏离了原来的线性关系而出现双线性关系。因此,辐照层硬度值应当通过拟合位于近表区域的小载荷测试下的硬度值来获得。从Nix-Gao模型得到的不同冷变形和退火处理后的钒合金的辐照前后的硬度值(H0)如表2所列。

      表 2  V-5Cr-5Ti合金的硬度值以及拉伸性能

      实验材料辐照前硬度/(kgf·mm–2)辐照后硬度/(kgf·mm–2)辐照后硬度增量ΔH/(kgf·mm–2)屈服强度/MPa[30]延伸率/%[30]
      40% CW234.5±1.2254.4±1.719.9±2.9649.7±5.312.3±0.9
      60% CW241.7±0.8257.0±0.815.3±1.6711.7±9.57.0±1.1
      80% CW271.8±1.3280.6±1.28.8±2.5748.3±4.78.3±0.5
      40% CW+annl177.4±0.8210.0±1.932.6±2.7317.0±6.532.3±1.2
      60% CW+annl176.7±1.0213.1±3.536.4±4.5325.3±5.929.2±1.0
      80% CW+annl214.3±1.8235.6±0.521.3±2.3382.7±0.926.2±3.1

      图6可以看出,对于未辐照样品,材料的硬度值随变形量的增加而升高。当变形量达到80%时,材料的硬度快速增加。在Li等[30]的研究中,V-5Cr-5Ti合金的屈服强度在高变形量时迅速增加,这一结果与本文中的硬度变化趋势相似。在EBSD制样过程中,80% CW样品的制样时间远大于其它样品,这一现象也说明80%样品中存在显著的加工硬化。1 273 K退火处理后样品的硬度值均出现了明显的下降,相较于40%和60%冷变形量的样品,80%冷轧样品退火后仍然保留了一定程度的硬化。

      图  6  (在线彩图)冷轧及退火处理后的V-5Cr-5Ti合金的硬度值H0

      不同冷变形和热处理条件下,辐照导致的硬度增量ΔHH= H0_irradiatedH0_pristine)如图7所示。辐照后所有样品的硬度值较辐照前明显升高,表明了辐照硬化效应的发生。冷轧样品的辐照硬化程度随冷变形量的增加而降低,在V-4Cr-4Ti、304不锈钢、W和Mo等材料中也发现了辐照产生的缺陷或硬化随冷变形量的增加而降低的这一现象[23-24, 31-32];退火样品中,40%和60%冷轧样品的ΔH值接近,但80%冷轧样品的ΔH较小,辐照硬化程度较低。比较具有相同冷变形量的退火与未退火处理的样品可以看到,退火后样品中的辐照硬化效应更加明显。这说明冷轧可以显著提升材料的抗辐照硬化能力,而退火处理在一定程度上弱化了材料的抗辐照硬化能力。

      图  7  (在线彩图)冷轧和退火处理后的V-5Cr-5Ti合金辐照前后的硬度增量ΔH对比

    • Hall-Petch公式给出了屈服强度和晶粒尺寸之间的关系式[33-34]

      $$ {\sigma }_{y}={\sigma }_{0}+{k}_{y}{d}^{-1/2} , $$

      式中:σy为合金的屈服强度;σ0是单晶的屈服应力;d是平均晶粒尺寸;ky是Hall-Petch常数。从公式中可以发现,随着晶粒尺寸的降低,屈服强度增加。材料的屈服强度σy与材料的维氏硬度HV成正比[35],因此,随着冷轧程度的增加,材料晶粒尺寸减小,材料的硬度随之增大,退火后,由于晶粒尺寸增加,材料的硬度明显下降。图3的统计结果显示60% CW与80% CW样品的平均晶粒尺寸相差不到1.0 μm,但是硬度值增加显著,明显偏离了Hall-Petch关系的预测值。这一方面是由于在EBSD的尺寸统计的过程中排除了尺寸大于150 μm的晶粒,另一方面是由于80%冷轧样品中细小破碎晶粒的比例明显增加导致样品中的晶界密度显著增加,晶界对位错的钉扎作用更加明显,阻碍位错运动的能力更强。同时Li等[30]的研究表明,冷轧后V合金晶粒中位错密度明显增加,在80% CW中形成了位错缠结,这也导致了80%冷轧后样品的硬度急剧上升。冷轧后退火样的硬度相较于冷轧样均出现了不同程度的降低,这主要是由于退火过程中晶粒长大造成的平均晶粒尺寸增加以及位错密度的降低引起的。

      Li等[30]通过拉伸试验得到的结果(见表2)表明,随着冷变形程度的增加,材料的屈服强度增加;退火以后,材料的屈服强度均出现了不同程度的降低。这一结果和本实验中未辐照样品的硬度随冷变形量的变化趋势是一致的。冷轧和退火除了对材料的强度有影响外,还会对材料的延展性产生显著的影响。Li等[30]拉伸试验中延伸率结果(见表2)表明,40%, 60%以及80% CW样品的延伸率分别为12.3%, 7.0%和8.3%,退火后对应样品的延伸率分别为32.3%, 29.2%和26.2%。随着冷轧程度的增加,材料的延展性出现了显著的降低,但退火以后,材料的延展性明显恢复。从EBSD结果可以看出,退火以后,相较于冷轧样,材料的晶粒均匀性明显提升(晶粒尺寸分布更加均匀,等轴晶比例增加),这对裂纹的形核和扩展有显著的抑制作用。

      材料的初始微结构对材料的抗辐照性能有重要的影响。材料中的晶界、位错以及析出相等可以作为捕获阱(sink)捕获级联碰撞过程中产生的点缺陷,增加点缺陷复合的几率,降低缺陷团簇的数密度和尺寸。

      根据弥散障碍硬化模型[36](Dispersion Barrier Hardening, DBH):

      $$ \Delta H=\alpha \mu b\sqrt{ND} , $$

      其中:α为对应缺陷的强度因子;μ为剪切模量;b为伯氏矢量;ND为缺陷的平均直径和数密度,辐照硬化和$ \sqrt{ND} $正相关。较低的缺陷团簇数密度和平均尺寸会导致较低程度的辐照硬化。前人提出吸收尾闾(sink strength)的概念来量化缺陷阱对于缺陷的捕获能力,并且相关研究表明随着吸收尾闾的增加,辐照硬化程度降低[37-38]。材料总的吸收尾闾是各缺陷吸收尾闾(晶界、位错、析出相等)之和。Li等[30]研究显示,冷轧可以引起晶粒细化的同时在晶粒内部引入高密度的位错,随后的退火引起晶粒的生长的同时部分位错也会恢复。冷轧和退火通过改变晶粒和位错对吸收尾闾的影响从而改变材料的抗辐照硬化能力。晶界和位错捕获阱的吸收尾闾可以用下面公式进行描述[37-38]

      $$ {S}_{\mathrm{g}}=6({{S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}})}^{1/2}/{d}_{\mathrm{g}},~~~{\left({S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}\right)}^{1/2}{d}_{\mathrm{g}}\gg 1 , $$
      $$ {S}_{\mathrm{g}}=60/{{d}_{\mathrm{g}}}^{2},~~~{\left({S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}\right)}^{1/2}{d}_{\mathrm{g}}\ll 1 , $$
      $$ {S}_{\mathrm{d}}={Z}_{\mathrm{d}}{\rho }_{\mathrm{d}} , $$

      其中:dg是平均晶粒尺寸;Sg是晶界的吸收尾闾;Zd是位错的捕获效率;Sd是位错的吸收尾闾;Stotal是材料的总吸收尾闾。

      由上面的公式可以看出,随着冷变形量的增加,冷轧样的辐照硬化程度降低,抗辐照硬化能力增强主要是由于随着冷变形量增加,材料中发生了晶粒细化,晶界增多,位错增多,导致材料的总吸收尾闾增大。相较于冷轧样,退火后样品的辐照硬化效应更加明显,这主要是由于退火后的晶界密度和位错密度降低导致材料的总吸收尾闾降低。

    • 本文主要研究了冷轧和退火处理对V-5Cr-5Ti材料的组织结构、硬度以及抗辐照硬化性能的影响。结果表明,随着冷变形量的增加,材料的硬度增加,但由于冷轧后组织不均匀,材料延展性降低。退火虽然会在一定程度上降低材料的强度,但由于组织更加均匀,材料的延展性明显优于冷轧样。经过337 MeV的高能Fe离子辐照后,材料中发生了明显的辐照硬化效应。在冷轧样品中辐照硬化效应随着冷变形量的增加而降低。退火处理后,40%和60%冷变形的样品的辐照硬化有显著的增长,但80%冷变形的样品在具有较好的延伸率的同时又保留了一定的抗辐照硬化能力。

参考文献 (38)

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