基于大塑性变形的钒合金晶粒细化机理研究

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以V-5Cr-5Ti为代表的钒基合金具有优良的抗中子辐照稳定性、低活化特性、耐液态金属腐蚀、高温高强度等优点，因此在聚变反应堆的第一壁、包层和偏滤器等结构设计中，以及在航空航天、高温等领域都具有广阔的应用前景。目前的V-5Cr-5Ti合金经过真空熔炼制备成铸锭后，需要经过锻造和退火处理进一步得到需要的棒料或板料，由于锻造变形量有限，合金的晶粒大小基本约在100 mm，具有很大的细化空间。

本工作利用等通道转角挤压(ECAP)技术以及相应的退火处理对V-5Cr-5Ti合金晶粒细化可行性进行研究，并深入分析了在大剪切变形条件下V-5Cr-5Ti合金晶粒细化的机理，为强化其基体强度提供一种新的技术思路。

1  大塑性变形的实现及其对微观组织的影响规律

图1是等通道转角挤压的大变形条件实现示意图，图2是V-5Cr-5Ti合金在不同状态下的微观组织照片。从中可以看出，合金未经过ECAP处理前，晶粒大小约为100 mm，晶界清晰，晶粒内部干净。经过两次ECAP处理后，晶粒大小和形状没有明显变化，但晶粒内出现了大量剪切滑移带。当ECAP试样经过750℃退火后，晶粒和剪切带形貌无明显变化。但当退火温度升高到850℃时，除了能清晰看到初始晶界外，晶粒内的滑移带数量逐渐变少，一些晶粒内部出现了新形成的细小晶粒。随着退火温度升高到950 ℃，晶粒内的剪切滑移带基本消失，初始的大晶粒晶界仍然清晰可见，但此时大晶粒内部形成的细小晶粒形貌也逐步清晰。当退火温度达到1 000 ℃时，形成的细小晶粒晶界更加清晰，而初始的大晶粒晶界逐渐变得不好区分，基本形成的混合的细晶组织，晶粒大小约为30 mm。

2  大塑性变形条件下钒合金晶粒细化机理的研究

V-5Cr-5Ti合金是体心立方固溶体的单相结构。体心立方金属的塑性变形滑移系统主要是在{110}、{112}和{123}三个滑移面上的<111>滑移方向，但在ECAP这种剧烈纯剪切变形模式下很难分析剪切带及亚晶界与滑移系之间的具体关系，但其细化机理主要是由剪切滑移带的交互作用产生的。

V-5Cr-5Ti合金未进行ECAP前，其晶粒大小约为100 mm，晶界清晰，晶粒内部干净[图2(a)]。在进行ECAP剪切变形时，合金主要发生的是晶粒转动变形和晶内滑移系剪切变形，即原始晶粒形貌无明显变化，原始晶界清晰可见，而晶内出现了大量的剪切滑移带[图2(b)所示]，这些滑移带基本是高密度位错的缠结。V-5Cr-5Ti合金的这种变形模式与传统的体心立方金属ECAP过程产生的现象有明显区别，以低碳钢为例，其ECAP过后的微观组织出现大量的剪切滑移带结构，很难再区分出原始晶粒的晶界，即原始晶粒的转动不是其主要运动模式，但V-5Cr-5Ti合金的晶粒自转动是非常独特的一种运动方式。

当ECAP试样在低于800 ℃的温度进行退火时，剪切过程产生的高密度位错未发生再结晶效应，合金的硬度值基本维持不变，初始晶界和晶内的剪切滑移带依旧清晰[图2c)]。当退火温度在800~950 ℃范围内变化时，退火试样的微观组织可以看出[图2(d)和图2(e)]，原始晶界依旧较为清晰，晶内的剪切滑移带随着温度升高逐渐减少，而晶内再结晶形成的细小晶粒轮廓逐步清晰，数量逐步增多。当温度高于950 ℃后，由于再结晶作用的进一步完成，晶内的剪切滑移带基本消失，细小晶粒轮廓完全形成，此时初始晶粒的晶界逐步变得不好区分，合金完全形成了细晶组织，大小约为30 mm。