Zr–2.5Nb合金热变形行为研究

耿佩，龚小涛，陈文静，周超，马晶

Zr–2.5Nb合金热变形行为研究

耿佩，龚小涛，陈文静，周超，马晶

（西安航空职业技术学院，西安 710089）

研究Zr–2.5Nb合金热压缩后的应力–应变关系和合金变形激活能。对Zr–2.5Nb进行高温压缩试验，分析变形条件（温度和应变速率）对该合金热变形行为的影响，研究高温压缩过程中Zr–2.5Nb合金的显微组织变化，并基于Arrhenius公式分析其变形激活能。在低温、高应变速率条件下，Zr–2.5Nb合金应力由峰值快速降低直至达到稳态；在高温和低应变速率下，该合金的应力–应变曲线呈现动态再结晶特征，合金平均变形激活能为468.962 kJ/mol，硬化指数为5.41。在850～1 000 ℃下进行不同应变速率的热压缩变形时，高温低应变速率有利于Zr–2.5Nb动态再结晶的发生；同一温度条件下，低应变速率时合金变形激活能较小，有利于Zr–2.5Nb合金发生塑性变形。

Zr–2.5Nb；温度；应变速率；激活能

锆的熔点较高、密度适中、强度优良、膨胀系数低、弹性模量小，较高温度下在多种介质中具有良好的耐蚀性。锆基合金在反应堆环境中具有较低的中子吸收截面、较低的辐照蠕变性能和较高的腐蚀抗力，多被用作压水堆内包壳材料[1]，如Zr–4合金常用于核反应堆中的燃料包壳管和导向管等管类制件中[2-4]。郑勇等[5]和燕山大学籍丽媛[6]重点研究了ZrTiAlV合金的热变形行为和热处理特点，还研究了新型高强度锆合金的热变形流变行为。锆基中添加铌元素可进一步提高其耐腐蚀性和可锻性[7]，我国现有的秦山三期CANDU6重水堆机组都采用Zr–2.5Nb合金作为压力管材料[8]，但目前对Zr–2.5Nb的研究相对较少。

目前使用最多的锆合金类型是薄管形式的挤压型材，前期要经过锻造和挤压等形式的塑性加工，由于合金元素热扩散率较高，流动应力较小，因此有利于在β单相区进行热加工[9-14]。Kapoor等[9]针对Zr–2.5Nb主要研究了Nb的添加量对β相转变的影响，并基于应变速率与温度影响曲线和应变速率敏感性曲线，深入分析了应变速率对该合金的影响，研究表明，Zr–2.5Nb对高温高应变速率比较敏感，会出现大而不均匀的等轴晶粒，而Nb的加入对合金变形特性没有显著影响，但会使峰值应变速率向高温方向有所移动。许多学者还通过不同方式研究了Zr–2.5Nb合金的热加工图[10-12]和本构方程[13]，通过优化工艺参数、分析微观组织，得出该合金的热变形行为特点以及应变速率和变形温度对合金变形的影响规律[13-14]，但基于热变形行为对Zr–2.5Nb合金变形激活能的研究还鲜有报道。

文中对不同变形条件下的Zr–2.5Nb合金试样进行热压缩试验，研究热压缩变形过程中材料真实应力–应变的变化情况，基于Sellars和Tegart提出的双曲正弦函数推导计算了Zr–2.5Nb变形激活能，并借助金相显微镜分析其相变特点和再结晶情况，为Zr–2.5Nb合金塑性成形技术的工艺优化和质量控制提供一定的参考。

1 试验

1.1 材料

选用锻态（收货态）Zr–2.5Nb为研究对象，试样为10 mm×15 mm的圆柱棒料，合金中Nb的质量分数为2.4%～2.6%，Nb主要起提高耐腐蚀性和可锻性的作用，Hf的质量分数为1.98%，Hf具有较强的吸收中子能力，还能提高合金本身的塑性变形能力，易于加工。此外合金中还含有一定量的Fe、Cr、C、N、O、H。

1.2 设备和方法

热压缩试验采用Gleeble–3500型热模拟试验机，控温精度为±1 ℃（稳态），最大加热速率达2 000 ℃/s，最小位移压缩速度为0.01 mm/s。在热压缩试验中，Zr–2.5Nb试样通过直接电阻加热系统被加热到预定温度并保温。用点焊机将高温电偶焊接在小圆柱试样中间位置上以控制试验温度，试样两端垫上涂有石墨润滑剂的钽片，目的是降低压头的摩擦，保护压头不被磨损，另外也可防止高温下试样直接和压缩砧面接触发生黏接现象。Zr–2.5Nb合金试样较难焊接到热电偶上，通过在试样两端打出小孔再重新焊接的方法，可将试样牢固连接至热电偶上。具体试验条件如下：热压缩变形量为50%；变形温度为850、900、950、1 000 ℃；应变速率为0.01、0.1、1、10 s−1。

2 结果与分析

图1为Zr–2.5Nb合金在不同变形温度和应变速率下热压缩变形后的真实应力–应变曲线。应变速率较高、变形温度较低时，如图1a所示，合金应力随应变值的变化先明显上升到达峰值，之后逐渐下降趋于稳定，这符合单峰型动态再结晶特征[15]。而后随着温度升高，无论在何种应变速率条件下，合金应力变化的峰值特征逐渐变得不明显。

Zr–2.5Nb合金在900 ℃、应变速率为1 s−1时，初始阶段变形应力呈明显上升趋势，随着变形继续进行，合金内部热变形晶粒会产生更多的位错运动，因此当应变增加到0.067时，合金变形应力达到峰值54.3 MPa，当应变增大到0.10时，应力逐渐减小至49.4 MPa，之后随着热变形的继续进行，合金应力值在50 MPa上下起伏。同一温度下，应变速率由10 s−1到0.01 s−1，应力波动更加明显，这一现象表明了Zr–2.5Nb合金热变形过程的不稳定性。

由图1d可知，在较低的应变速率和较高的变形温度下，Zr–2.5Nb合金的应力先随着应变的增加而快速增加，到达峰值后，应力值逐渐趋于稳定，这时的应力–应变曲线呈现出一定的动态再结晶特征。

在应变速率为定值时，该合金热变形温度越高，应力峰值越小（如图1所示）。这是由于随着变形温度的升高，原子能量增大，相应的位错运动就越强烈，会产生更多的内驱力促使晶核长大，如当变形温度由850 ℃增加到1 000 ℃时，应力峰值则由81.9 MPa下降到39.2 MPa。

由图1可知，Zr–2.5Nb热变形所需的流动应力并不大，文中合金变形真应力的最大值为81.9 MPa。该合金变形所需的流动应力随变形温度的升高而明显减小，且应变速率影响不大，在相同应变量和变形温度下，其应变速率越小，Zr–2.5Nb合金流动应力就越小。由此可得，在Zr–2.5Nb热锻成形加工中，可考虑通过适当提高变形温度和降低应变速率来减小设备成形力。

3 变形激活能计算

激活能是使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要的能量。通常情况下，激活能是不随温度变化的常数，但当温度大于227 ℃时，激活能会发生变化，变形激活能越小，表明该金属越容易发生热加工变形[16-19]。

图1 Zr–2.5Nb热压缩变形后的真实应力–应变曲线

Sellars和Tegart提出用Arrhenius公式来描述材料的热激活行为[19-21]，其关系式见式（1）—（2），该参数模型适用于多种热加工中材料激活能的计算[22-25]。

应力与应变速率之间的关系见式（3）—（4）。

式中：1和为材料常数，=/1；1、2为常数。

对式（3）—（4）两边取自然对数，可分别表示为：

式中：3、4为常数。

图2 分别与ln σ、σ受温度变化的关系曲线

对式（1）进行数学转化，得到激活能的计算见式（7）。

对式（7）进行转换可得：

图3为–ln[sinh(ασ)]曲线在不同温度下的线性关系，基于式（7）和图3曲线斜率可得到B的平均值为10.426。图4为1 000/T–ln[sinh(ασ)]在不同应变速率下的线性关系，同样可根据图4曲线的斜率得到硬化指数n，计算出n的平均值为5.41。

图4 1 000/T与ln[sinh(ασ)]受温度变化曲线

由式（8）可以看出，激活能与硬化指数和系数有直接关系，其中硬化指数受变形温度影响，参数受应变速率影响，这说明影响Zr–2.5Nb合金变形激活能的直接因素还是变形温度和应变速率[19]。基于式（8）可计算出该合金的平均激活能为468.962 kJ/mol，同时计算得到Zr–2.5Nb在850 ℃下，应变速率为0.01、0.1、1 s−1时的激活能分别为335.05、451.41、479.06 kJ/mol，可以看出，在同一温度条件下，低应变速率下的合金变形激活能较小，此时也就越容易发生塑性变形，这也验证了前述“一定温度条件下，降低应变速率可减小设备成形力”的结论。

4 金相组织分析

对热压缩后的Zr–2.5Nb试样进行固溶处理，淬火温度为650 ℃，保温30 min，炉内充氩气保护，最后随炉冷却。借助线切割机将固溶处理后的Zr–2.5Nb试样纵向切开，并对纵向试样进行打磨抛光，试样纵向截面抛光到没有划痕时，采用20% HF+45% HNO3+ 35%水（质量分数）的金相腐蚀液进行腐蚀，并借助金相显微镜观察合金热压缩后的组织情况。图5为在不同温度和不同应变速率变形条件下Zr–2.5Nb合金的金相显微组织。

观察图5a、d、g、j可知，随着变形温度从850 ℃升高至1 000 ℃，观察视角范围内Zr–2.5Nb合金的晶粒密度增加，且有被压缩变形的现象，且在850 ℃和900 ℃（应变速率为1 s−1）时，合金内部晶粒的晶界处生成大量的（α+β）Zr–Nb组织，这是由于变形温度较低，Zr–2.5Nb部分晶粒未完全转化为β相，待温度升高至950 ℃以上，（α+β）Zr已完全转变为β–Zr。

变形温度低于900 ℃时，合金发生了不完全动态再结晶，出现许多分布较均匀的细长晶粒，当变形温度为1 000 ℃、应变速率为0.01 s−1时，合金发生了完全动态再结晶。说明在相同应变速率下，变形温度的升高有利于促进Zr–2.5Nb合金发生动态再结晶。由此可知，Zr–2.5Nb合金变形温度越高（可变形温度范围内）、应变速率越低，越有利于促进动态再结晶的发生。

观察图5j、k、l可知，在1 000 ℃下，应变速率从1 s−1减小至0.01 s−1时，合金内部组织的动态再结晶逐渐完全，晶界清晰，晶粒大小分布更加均匀，这也说明锆合金与其他有色金属（比如钛合金、铝合金等）一样，对应变速率比较敏感，低的应变速率有利于发生塑性变形，宏观表现就是节约设备能力，因此，实际生产中Zr–2.5Nb锻造应尽量选用低应变速率的压力机设备，比如液压机和曲柄压力机等。

图5 Zr–2.5Nb合金在不同温度、应变速率下金相观察结果

5 结论

通过对Zr–2.5Nb合金在不同变形条件下进行热压缩试验，对其流动应力、变形激活能和金相组织变化进行分析，得出了以下结论。

1）在较高温度和较低的应变速率下，Zr–2.5Nb合金的应力–应变曲线基本符合动态再结晶特征，在1 000 ℃和0.01 s−1变形条件下，Zr–2.5Nb合金动态再结晶完全。

2）Zr–2.5Nb平均激活能为468.962 kJ/mol，硬化指数为5.41。

3）一定温度条件下，低应变速率时Zr–2.5Nb合金变形激活能较小，容易发生塑性变形；在变形温度范围内，高温低应变速率有利于Zr–2.5Nb动态再结晶的发生。

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Hot Deformation Behavior of Zr-2.5Nb

GENG Pei, GONG Xiao-tao, CHEN Wen-jing, ZHOU Chao, MA Jing

(Aviation Materials Engineering School, Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi'an 710089, China)

Based on hot compression experiments, the paper aims to analyze the high temperature stress-strain relationship and the deformation activation energy of Zr-2.5Nb alloy. The effect of deformation temperature and strain rate on the rheological behavior of Zr-2.5Nb alloy was investigated by high temperature compression test, and the deformation activation energy was analyzed based on Arrhenius relation. At low temperature and high strain rate, the stress-strain curves of Zr-2.5Nb alloy showed obvious dynamic recrystallization characteristics, while at high temperature and low strain rate, the stress-strain curves of Zr-2.5Nb alloy decreased rapidly from peak to steady state, the average activation energy of deformation was 468.962 kJ/mol, and the hardening exponent was 5.41. Under 850-1 000 ℃hot compression deformation condition, low strain rate is favorable to the plastic deformation of Zr-2.5Nb alloy. High temperature and low strain rate is favorable to the dynamic recrystallization of Zr-2.5Nb.

Zr-2.5Nb; temperature; strain rate; activation energy

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.009

TG304

A

1674-6457(2022)06-0065-06

2022–02–25

西安航空职业技术学院2019年度科研计划（19XHZK–004）

耿佩（1987—），女，硕士，讲师，主要研究方向为金属材料塑性加工。

责任编辑：蒋红晨