锆合金第二相剪切/弯曲脆断尺寸纳米化机制

复相合金中除基体相之外，通常还会有第二相的存在。当第二相以细小弥散状的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化效果，这种强化作用称为第二相强化。通常认为第二相颗粒是在合金机械性加工（锻造、挤压、轧制等）过程中，伴随着周围基体变形而发生尺寸的细化。虽然，近些年国内外相关研究人员针对第二相的变形和破碎行为开展了大量研究工作，并取得了一系列的实验进展，但是多数研究都是基于与基体之间具有特定晶体学取向关系的共格析出相开展的，结果表明其尺寸细化主要借助基体中位错的切割作用实现。事实上，除了上述第二相颗粒之外，合金中的多数第二相与基体之间不存在特定位向关系，或者在变形过程中丢失它们与基体之间原本存在的位向关系。

锆合金中的第二相是影响合金显微组织、力学性能、抗氧化和耐腐蚀性能的主要因素之一，通常要求其在合金冷、热塑性变形后呈细小弥散状分布于基体中。对于第二相变形和破碎特征的研究，是理解其尺寸细化机制的关键，也是实现锆合金组织优化的基础。然而鉴于锆合金中第二相颗粒的尺寸限制，目前为止对它们变形特征和尺寸纳米化过程的了解仍十分有限。

近期，来自中国科学院金属研究所的李阁平课题组借助透射电子显微表征手段，系统研究了800℃高温压缩Zr-4合金基体中的第二相变形特征，并以此推演了其尺寸纳米化机制。研究表明，高温压缩变形使得多数第二相实现了尺寸的细化，但是仍然存在少数未发生纳米化的第二相颗粒。进一步分析表明，这些第二相颗粒绝大多数为FCC结构的Zr(Fe,Cr)2相，并且它们与基体之间普遍不存在特定位向关系。观察发现，这些第二相只发生了局部的变形和开裂，但是整体上并未表现出明显塑性。

通过对这些处于尺寸纳米化过渡状态的第二相微观特征细致分析，可以确定这些非共格析出相的进一步尺寸细化的方式主要包括{112}面的剪切脆断，以及周围纳米颗粒辅助的弯曲脆断两种。该文的研究结果对于理解锆合金中纳米第二相高温变形和尺寸细化机制，以及实现锆合金加工工艺的优化等都具有重要意义。相关研究结果以题为“Nano-refinement of the face-centered cubic Zr(Fe,Cr)₂ secondary phase particles in Zircaloy-4 alloy via localized-shearing/bending-driven fracture under high-temperature compression”发表于Journal of Materials Science and Technology上，论文第一作者为韩福洲特别研究助理，通讯作者为李阁平研究员。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.04.063