锆及锆合金塑性成形全流程技术图谱：热轧-冷轧-热处理工艺链对组织均匀性、织构取向与力学性能的级联调控

1、背景

锆由于其热中子截面吸收率低、密度低、热膨胀系数低以及在苛刻环境下的良好的耐蚀性能等特点，被广泛应用于核电工业、化工工业以及航空航天工业。

在核电领域中，常作为反应堆包壳和管路等关键材料，因此备受重视。与不锈钢材料相比，锆合金对辐射中子吸收率低，能够极大的节省铀燃料。此外，在反应堆中300℃的水蒸气环境下，锆及锆合金仍具有良好的耐蚀性能，从而确保核反应设施的稳定性和可靠性。因此锆被称为原子时代的第一金属[1,2]。

在化工行业中，锆及锆合金也因其出色的耐蚀性能被广泛应用。锆与钛作为同族材料，具有相似的耐腐蚀性能，在海水中的耐蚀性能要好于绝大多数不锈钢材料。此外，锆对广泛的腐蚀剂具有极好的耐受性，尤其是对氧化性介质和还原性介质腐蚀的优异抗腐蚀能力，特别是HCl、稀H2SO4、H3PO4、醋酸、醋酐等介质中表现突出。锆合金在所有浓度、温度直至高于沸点的HCl中均有优异的耐蚀性，尤其是醋酸、盐酸、尿酸等化工制备行业中，锆合金构件在其产线中具有至关重要的应用地位。在化工设备中，主要用于压力容器、换热器、泵阀等设备，不仅能够有效的保证关键接触介质界面的可靠性稳定，还能够降低成本，提升设备寿命，保证设备维护性，其应用前景广泛[3-9]。

锆合金在医疗行业也有较为广泛的应用，由于其无毒无害,且金属及其氧化物无色、具有良好的耐磨性能等特点，能够满足医疗行业中的应用需求。通过添加合金元素，锆合金还可具备高强度和高韧性，适用于航空、航天工业中的一些苛刻环境。

国外对锆合金的研制较早，并开发了一系列的锆合金材料，以美国西屋电气、加拿大Cameco、瑞典Sandvik等公司为主，占据了国际锆合金生产制造的大部分市场。我国从上世纪五、六十年代，通过研制核用锆合金，成功制备Zr-2合金及管材为我国核工业发展奠定了基础。上世纪七十年代，我国已经建立起较完整的锆冶炼、加工的体系。到2007年，随着我国核工业、化工工业及航空航天工业的迅猛发展，我国成为全球最大的锆合金消费国和进口国。目前我国已经成为全世界工业级海绵锆的主要生产国,其市场规模及市场需求容量巨大，发展趋势迅猛。国内锆合金生产制造主要以国核宝钛锆业、东方锆业、三祥新材、龙佰集团等企业为首，形成了锆及锆合金冶炼、成形等锆及锆制品的生产、研发体系，保障我国工业体系的迅猛发展[8-13]。

本文以锆合金成形为基础，讨论了锆合金的不同成形方式的特点，以及成形性能的主要影响因素、变形机制、变形组织及织构演变特征，并对锆合金成形发展进行了展望。

2、锆合金牌号及其区别

锆合金中常含有Hf(铪)元素，这是由于在自然界中，锆和铪为伴生元素，在矿物中常伴生存在，而Hf的热中子吸收率高于锆元素，所以锆及锆合金中的含Hf量,会导致锆及锆合金在核电行业构件的使用寿命缩短，使其强度和抗蚀性能大大减弱。根据锆及锆合金中Hf含量的不同,主要分为核级锆合金及工业级锆合金两大类。

锆合金自20世纪50年代开始作为核反应堆中重要的结构材料延用至今，并且在化工行业、航空工业、医疗行业等多个领域都有其广泛的应用场景，但是随着工业领域的迅猛发展，工业纯锆及锆合金的性能还无法满足少数苛刻环境场景下的应用需求。因此美、俄、法、德、日等国家通过对金属锆中添加其他元素使其合金化，使合金元素阳离子占据锆金属中的氧化膜空位，降低阳离子扩散，提升锆合金的耐蚀性、耐磨性等。

核级锆合金从Zr-1、Zr-2持续发展，美国于1951年研发出了Zr-2.5Sn(Zr-1)合金，随后调整合金成分研制出了Zr-1.7Sn-0.2Fe-0.1Cr-0.05Ni合金(Zr-2)。为了降低合金的吸氢量,在Zr-2的基础上降低Ni含量，增加Fe含量，研制出了Zr-4合金。随后伴随着冶金技术的发展，控制Zr-4合金中的Sn在较低的水平，得到了改进型Zr-4合金。前苏联发展了E110等Zr-Nb系合金。加拿大开发了Zr-2.5Nb合金用作Candu重水反应堆的压力管材料。随着核反应工业的持续发展,法国公司开发的M5合金已用作燃料组件元件包壳材料;俄罗斯开发的E635合金;德国的ELS合金以及日本的DNA合金均获得了比Zr-4或Zr-Nb合金更好的堆内辐照考验结果。我国随着研究的不断深入,通过进一步优化,确定了堆外腐蚀、力学、吸氢性能大大优于Zr-4合金的N18和N36两种新成分锆合金(西北有色金属研究院命名为NZ2和NZ8),同时确定了这两种新锆合金的名义成分和成分范围。两种合金性能世界领先[15-19]。核级锆合金的典型牌号和化学成分见表1。

工业级锆合金发展同样迅速，早期成熟的牌号分为R60700、R60702、R60703、R60704、R60705和R60706系列合金,R60700是低氧纯锆,R60702和R60703是纯锆,R60704是锆锡合金,R60705和R60706是锆铌合金。传统的工业锆及锆合金主要是R60702和R60705。随着化工行业等的发展,新型工业级锆合金也被陆续研发出来，例如我国宝鸡钛业股份有限公司通过向锆合金中添加二氧化锆,控制锆及锆合金中氧元素含量为0.08%~0.3%，生产氧元素分布均匀，无杂质的锆合金铸锭，提升了抗拉强度等力学性能。工业级锆合金典型牌号及成分见表2。

在医疗行业中，上世纪九十年代Smith&NephewRichards公司研制的一种Zr-Ti-Nb合金,用于替代传统骨骼材料。该合金具有良好的生物相容性和耐磨性能，其性能优于常用的Ti合金材料。

同时，锆是铁、铜、镁、铝、钼和钛基合金的一种非常有益的合金添加剂。锆可用作吸气剂,因为它能够在高温下与气体结合。与铌类似，锆在低温下具有超导性，可用于制造超导磁体。

普通的金属锆只有300~400MPa的强度,难以满足苛刻场景下的结构件需求,所以Zr-Cr合金、Zr-B合金、Zr-Be合金等高强韧锆合金也被相继开发,这些高合金通过合金化成分,使得材料的强度及韧性有大幅度提高,具有广阔的应用前景。

表1 核级锆合金典型牌号

表2 几种新型锆合金的牌号

3、锆合金成形技术发展及技术难点

随着核电行业、化工行业等大型工业的发展需求，对锆合金宽幅高性能板材、大型及高强度锆合金构件、一体化成形锆合金制品等的需求量日益增加，市场前景广阔。但是由于锆合金价格昂贵、加工成形难度较大等问题，使得锆合金制备产业存在一些亟待解决的技术问题，例如大型板坯的组织均匀性问题;宽幅板材的板型控制、表面质量以及组织性能均匀性问题等。而对于大型结构件，由于锆的熔点(1852℃)较高，弹性模量、热导率和热膨胀系数与普通碳钢、不锈钢相比差别较大，造成锆及锆合金难以与其他金属进行焊接、焊接区域脆性较大、易开裂等问题，只能通过同种锆材焊接并进行结构设计，或采用复合板的方式进行解决。

众多科研工作者及生产企业对锆合金成形技术开展了深入研究。周志晔、阮鑫等对锆合金焊接时容易产生的缺陷进行了研究，并发现，由于锆在高温下，与H、O、N等都有很高的亲和力，在空气中进行焊接时，会与空气中的气体发生反应，在590℃以上与N2生成ZrN,在300℃以上与O2生成ZrO2,与H2生成ZrH2,这些化合物会引起锆合金发生脆化,使得焊接接头性能降低,造成焊缝不稳定。所以锆合金焊接必须要注意气氛保护。凌堃、胡效东等对R60702工业纯锆板材TIG焊接进行研究,获得了性能良好具有良好腐蚀性能的焊接接头，同时发现焊接过程中，由于锆合金在不平衡条件下结晶时，会产生复杂的金属间化合物，而在焊接冷却过程中，由于冷速过大，造成不同区域的焊缝组织差异较大。当焊缝中的O含量增加至0.3%以上时，其中脆性化合物使得焊接接头的塑性明显降低，耐蚀性下降，造成焊接结构的不稳定性增加。同时R60702工业纯锆焊接时，需要控制环境中Fe3+、Cu2+的污染，并采用高纯气体进行气氛保护，来保证焊接接头的质量。钱夏夷通过研究不同锆合金及锆合金焊材，针对不同厚度的锆合金板材进行分析锆材的焊接性能，最终采用传统氩弧焊和等离子焊结合的方式对锆合金厚板进行了焊接获得了满足性能要求的焊接结构。Zheng等通过添加0.3wt%氢，成功实现了锆合金R60702在750℃下的低温扩散连接，而未加氢的R60702则需在900℃才能完成连接，并发现氢化物能够破碎大尺寸的α晶粒，同时在Zr基体中引入晶格畸变和位错，畸变能的增加为更多晶界的形成提供了能量保障，从而促进低温扩散连接的可能性。

对于以上锆合金焊接的问题，行业内部已有多种方法替代方法来保证锆合金构件的制造。例如，对于民用低端化工行业，为了节约成本，在关键苛刻环境的接触反应界面，以碳钢或不锈钢作为结构件，并在内部或加入锆合金里衬隔绝苛刻环境界面的接触从而达到耐蚀的效果。邓爱家等基于锆的膨胀系数与常用的钢材相差较大，采用锆一钛一钢复合板进行设计，避免了锆、钛与钢材极难相溶的特点，制备出一体式的管箱筒体与法兰连接的结构。朱磊等采用爆炸复合的方法，将薄板锆材复合在不锈钢板上，可提高特种设备的使用寿命，降低设备的生产成本。周景蓉等通过爆炸焊接方法制备锆铜一锆复合管,获得了的复合管材晶格结合力好,整体管材的强度及韧性也更好，通过材料复合法能够充分利用锆及锆合金的耐蚀性能，降低材料成本。

目前，国内生产锆材复合板工艺，与不锈钢、碳钢等材料复合时，由于其物性差别较大，往往需要添加纯钛作为过渡层，提高复合板的结合力，这增加了复合板制造工艺的复杂性，但相对于制备、采购全锆材结构件来说依然有节省成本的空间。

另一种提高锆制品性能的有效方法是表面处理，选择机械研磨或表面纳米化处理使锆制品表面晶粒细化，从而提高其性能。张聪惠等通过对热轧退火态的工业纯锆板材进行SMAT处理、表面机械研磨工艺等技术可以实现工业纯锆的表面纳米化，在试样表层形成具有梯度分布的纳米结构。从而晶粒细化，从而提高其性能。张聪惠等通过对热轧退火态的工业纯锆板材进行SMAT处理、表面机械研磨工艺等技术可以实现工业纯锆的表面纳米化，在试样表层形成具有梯度分布的纳米结构。从而方法也被应用在锆合金构件的制造技术中。张宁等采用熔模精密铸造的方法，利用经脱蜡焙烧背层型壳得到的铸件型壳在真空下进行离心浇注或重力浇注近净成形，降低零件的加工成本，减少金属材料损耗。高利霞等通过对锆材薄板采用两次热处理并带温胀压成形，解决了锆合金波纹管的成形质量问题。

4、锆及锆合金塑性成形性能

目前，市场上锆及锆合金型材及构件的最主要的成形方式是塑性成形，锆与钛的成形性能相似，具有良好的塑性，可以通过轧制成形及锻造成形的手段进行构件的生产制造。

锆在常温下为密排六方晶格结构，主要为a相组织，在862℃温度时进行转变为体心立方结构的β相，通过合金化的某些锆合金，在常温下具有a+β两相组织。通常情况下，锆铸锭经过冶炼后需要进行β相淬火处理，这种在高温状态下迅速冷却淬火的方法，使处在β相区的锆合金迅速的转变为a相，这种方法可以消除合金在制造过程中产生的定向组织，阻碍由于因定向组织导致的辐射损伤，提高包壳构件等结构的使用寿命。

李向东通过研究R60702工业纯锆的板坯热轧性能，发现锆板选择更接近相变点的温度有利于减少变形抗力，有利于采用大压下轧制使得变形更加深入，减少切边损失，同时采用650~700℃·2h/AC进行热处理，可获得良好的力学性能和金相组织。高维娜等对R60702工业纯锆板材轧制成形过程进行研究，发现两火次成形的锆板板型平直，无明显的镰刀弯，两火次成形的锆板横纵向力学性能差异较小，板坯均匀性较好。杨西荣等采用等径弯曲通道(ECAP)+旋锻(RS)复合变形技术制备了超细晶工业纯锆，使材料强度得到提升，并提升了疲劳极限强度。李宁等通过分次胀形及热处理的创新制造技术制备纯锆三通，解决了单次胀形开裂及壁厚不均匀的问题。林庆选等研究了R60705锆合金热处理性能与组织性能的关系，发现该牌号锆合金在870℃水冷淬火+550℃时效热处理后，其a相呈短条状分布，基体组织较细密，获得较高的综合力学性能。

锆合金塑性变形过程中，通过对锆合金应力一应变曲线的研究，发现，锆合金在高温下应变时，应力会随着应变的增加而增大，这是由于合金在变形初期发生动态回复和动态再结晶较迟，动态回复产生的软化作用，不足以抵消加工硬化，主要表现为加工硬化，此时晶粒内部积累的畸变能逐渐增大，位错不断缠结，表现为应力随应变量的增加而大幅上升;当应变增加到一定程度后达到峰值应力，此时动态回复及动态再结晶导致的动态软化速率开始大于加工硬化速率，表现为应力随应变的增加而缓慢下降。所以选择合适的塑性变形温度及应变速率，对材料成形性能及成形后的力学性能、金相组织有着较为重要的影响。

5、成形过程中组织与织构演变

影响锆合金性能的主要因素有内部组织及织构,在塑性变形时受到热轧、冷轧及退火工艺的不同影响锆合金构件的性能。在塑性变形过程中，由于锆合金自身为密排六方结构，其变形机制通过滑移、孪晶和再结晶的共同影响。纯锆在常温下呈现的a相,而通过合金化的锆合金可以在常温下呈现a+β两相组织，这些组织在高温变形冷却后，呈现不同的形态，并且变形速率、冷却速率、变形方式、原始晶粒取向等均能影响锆合金织构的演化。目前已有大量的科研工作者对其变形规律进行了研究。

低温及室温变形时，锆合金未达到相组织转变温度，但是塑性变形使材料内部晶粒大小及取向发生变化，从而影响锆合金性能。唐维维对Zr705锆合金进行了低温及室温轧制变形，发现Zr705锆合金是初生a相+(a+β)两相区组成,两相区内片状组织的经过轧制变形后的取向发生旋转，且随变形量增大逐渐平行于轧制方向。Zr705的高温强化机制为细小弥散的w粒子,而低温轧制能够有效地抑制轧制变形中的动态回复作用，使位错密度变高，导致更多的β相转变为w粒子，从而使材料的强度变高。Fuloria等研究了在低温(77K)下通过多向锻造(MAF)Zircaloy-4的力学性能和显微组织演变，获得了超细晶粒组织。李开放利用室温大应变量轧制结合低温退火的技术，制备出了具有优异力学性能的非均匀结构锆，发现随着应变量的增加，晶粒细碎化程度加深，位错密度增加，抗拉强度和均匀延伸率同步提高，并能形成典型的非均匀结构。

国内锆合金板的生产已经形成一套稳定的工艺路线:铸锭→β相淬火→a相热轧→多次中间退火及每次退火后的冷加工→成品板材及最终再结晶退火。在高温变形时，由于锆合金内部相组织发生转变，通过调节不同的变形参数，使锆合金在成形过程中，显微结构发生进一步的变化，从而影响锆合金的最终性能。同时，锆合金微观组织中的相析出与转变过程，也会影响锆合金的成形性能。彭倩等对N18锆合金板材进行热轧→冷轧→再结晶退火处理后，发现N18锆合金板材织构与原始织构类型未发生变化,在α/(α+β)相变点附近时,热轧温度对织构的影响较小，在β相温度以上进行变形时，β相沿着a晶粒边界分布生长，同时对晶界滑动机制有促进作用。公维佳等设计并制造了Zr-1.0Ti-0.35Nb合金，对其进行了研究，并发现该合金的微观组织均匀性与轧制温度呈正相关关系，晶粒变形程度与晶体取向呈密切关系。发现合金从a(a')→β相转变过程中组织发生了一系列变化，且随着β相体积分数的增加，材料可以保持良好的强塑性。梁御阳等通过对轧制的Zr-Nb-Fe(Zr-4改进版)管材进行研究，分析管材微观组织和第二相表征，经过轧制成形的管材，晶粒内部组织缺陷较少，晶粒呈近似等轴状，晶界平直，第二相分布较为弥散，大部分呈球状，少量呈短棒状或不规则形状。合金中存在两种类型的第二相颗粒，一种是密排六方结构(HCP)的Zr(Nb-Fe-Cr)2相,尺寸较大,多分布于晶界处;另一种为体心立方(BCC)的β-Nb相,尺寸细小,分布较为弥散。Zimmermann等通过对纯锆及Zr-4合金的轧制及再结晶行为进行研究，发现，轧制及退火后，纯锆及Zr-4合金均为单相(a相),但显微组织完全不同。纯锆呈现出等轴状的再结晶晶粒;而Zr-4则表现β相区淬火后的出典型的篮网状组织结构。

锆及锆合金经冷热变形后，晶粒通过滑移和孪生机制协同变形，导致晶粒取向发生偏转，从而在材料内部形成织构，而织构能够影响材料的性能及各项异性。锆合金型材的织构与加工温度、应力、加工变形量、合金成分等有关，热处理也会影响型材的织构分布。织构不仅影响锆合金中氢化物的取向和众多的力学性能参数，如强度、塑性、蠕变、疲劳等，且织构还与辐照生长、应力腐蚀开裂、水侧腐蚀性能有关，成为近年来的热门选题之一。

锆合金在变形时，由于a-Zr的密排六方结构对称性较低，其晶体滑移系比其他结构的滑移系少，柱面滑移是最容易开启的滑移系。但是，柱面滑移只能够提供两个独立的滑移系，而且不能协调c轴方向上的应变，因此还需要其他滑移系如锥面滑移、基面滑移来协调变形。一定情况下还需要孪生对变形进行协调，才能保证晶粒的均匀变形。锆合金开启的滑移系和孪生系如表3所示。

黄天林等通过EBSD技术研究轧制及退火后形变试样，发现晶粒的取向分布大部分为基面平行于轧面((0002)//Z)取向织构，同时还存在较多的{0001}<1010>和{0001}<1120>织构及{1|04}<1|02>织构。肖东平等对具有双峰织构的退火态纯锆板材进行室温轧,发现板材在轧制过程中会产生不均匀组织,一部分容易变形且沿RD方向被拉长,在变形量较大时形成变形带。在轧制过程中板材的基面双峰织构类型并无较大改变,只是逐渐向ND方向集中。而<1120>//RD织构逐渐转变为<1010>//RD织构。彭倩等对Zr-4合金板α相高温轧制的织构演化进行研究,发现在高温轧制时,{1011}<2113>和{1121}<2113>锥面滑移是主要的形变系统，所以轧制后形成基极取向集中于轧面法向的织构，沿原始板材的轧向进行轧制时,部分晶粒中的{1010}<1210>柱面滑移开动;沿原始板材的横向进行轧制时，{1121}<1126>孪生的作用使基极沿轧面法向上的取向增强。刘二伟等采用EBSD技术对Zr-Nb、Zr-Sn-Nb两类锆合金的终轧退火板材组织、织构进行了研究，发现轧制成形过程中容易产生取向或者织构,其中板材主要形成[0002]基轴取向法向的织构,而管材主要形成[0002]基轴取向径向的织构。在对锆合金退火板材织构进行研究时发现，锆合金退火板材织构为基面织构，并沿横向倾斜一定角度。第二相对晶界的钉扎作用，延缓了再结晶，使其织构转变程度较弱。锆合金板材在退火过程中{0001}<{10}{10}>织构向{0001}<1120>织构的转变与晶粒长大有关。

通过研究发现，六方结构锆的基面和柱面分别有3个滑移系。按照位错的类型可以分为<a>滑移和<c+a>滑移。其中<a>滑移包括柱面滑移、基面滑移和{1011}锥面<a>滑移，而<c+a>滑移包括{1011}和{1121}锥面<c+a>滑移。在很大的温度范围内,相对其他的滑移系，柱面a滑移的临界剪切应力是最小的。柱面滑移是锆在变形时最容易启动的滑移系，而基面滑移则在850K以上时才出现。锥面{1011}或{1121}滑移只出现在一定温度和高应力集中的区域，而柱面滑移{1010}<1120>为纯锆的主要变形方式。锆合金变形时,多个滑移系统的开动,每个滑移系统可以提供2~5个独立的滑移系，可以满足多晶体连续协调形变的要求。

柱面滑移的开启使得柱面上<a>位错不断地塞积,这些塞积的位错造成局部的应力集中,使<a>位错发生交滑移。当<a>位错交滑移至基面上时,就会诱发基面<a>滑移开启。如果柱面上的<a>位错交滑移到{1011}锥面上,就可以产生锥面<a>位错。<a>滑移最多只能提供四个独立的滑移系，并且<a>滑移的启动只能实现晶粒在a方向上的变形，不能实现晶粒沿c轴的应变。而<c+a>滑移可以单独提供五个独立的滑移系，且能提供沿c轴的应变，因此<c+a>滑移也是锆合金的重要变形方式。由于锆以柱面滑移为主，因而会在柱面上自发地形成<c+a>位错，使得这金属更容易形成锥面滑移，这也是塑性比其他密排六方结构金属的塑性好的原因之一。

孪生是密排六方结构金属中重要的塑性变形方式，由于常温或低温变形时独立滑移系较少，当滑移无法提供五个独立的滑移系时，就会启动孪生以实现均匀变形。孪生会造成较大的晶粒取向改变，因此孪生是协调沿c轴应变的重要变形方式。

根据孪生引起的c轴方向应变类型，可将其分为拉伸孪生和压缩孪生两类，c轴方向产生拉伸应变产生{1012}<1011>孪晶及频率较低的{1121}<1126>孪晶,c轴方向产生压缩应变时则产生{1122}<1123>孪晶和{1011}<1012>孪晶。孪晶界的形成，可发挥晶界的作用，阻碍位错的运动，导致加工硬化率增加，此外在孪晶内部运动的位错可转换为固定的位错;孪生能协调沿c轴方向上的应变，从而降低加工硬化率;根据不同的孪晶类型所引起的晶格转动,会强化或弱化加工硬化。

Akhtar针对单晶锆在液氮温度下进行了沿c轴的压缩实验，观察到了{1122}压缩孪晶及二次孪晶。肖东平等研究了纯锆室温轧制过程中的组织演变规律,发现轧制板材组织中观察不到孪晶的存在,其主要变形方式为滑移。Chun等研究了密排六方金属的冷轧性能，发现从较低变形量到较高变形量(40%),在有利取向的晶粒内观察到了{1012}<1011>拉伸孪晶和{1122}<1123>压缩孪晶以及二次孪晶、三次孪晶的开启，认为这个阶段外应变是由孪晶和滑移共同作用来协调的。Tenckhoff对多晶纯锆板进行了室温轧制进行研究，发现低变形量时，晶粒内部产生了大量不同类型的孪晶，晶粒大小对于锆合金室温轧制的变形机制有着重要的影响。

通过研究发现，温度在78K~800K之间时，塑性变形是由{1122}压缩孪生的发生而开始的。当温度上升至800K以上，塑性变形主要由{1011}压缩孪生和{1011)锥面滑移贡献。低温时，纯锆的塑性变形是主要由孪生贡献，这也是在低温时锆仍然有较好的塑性的原因;温度上升至室温以上时，主要的变形机制逐渐由孪生转变为滑移;当温度达到400K以上时，塑性变形则由滑移完成。

锆合金的塑性变形机制主要是滑移与孪生，而在对纯锆和锆合金的变形机理进行研究发现，只有在液氮温度下，纯锆的塑性变形是主要由孪生贡献，这也是在低温时锆仍然有较好的塑性的原因。而当温度上升至室温以上时，塑性变形则主要由滑移完成，孪生的作用是在滑移不容易开启或者应力集中区域对变形进行协调。锆合金变形过程中，滑移和孪生之间相互补充，又相互竞争，滑移变形时遇到晶界等障碍物时产生位错塞积，形成较高的应力集中，从而诱发孪生的形核;而孪生的发生造成晶体取向的改变，从而使晶体进一步滑移。

通过众多学者的研究可以发现，在锆合金低温变形时，主要形变机制是孪生，而随着温度的升高，滑移开始启动，此时滑移变形的占比逐渐升高。而在高温变形和高温退火过程中，除了滑移与孪生，材料还将发生动态软化。动态软化通常包括动态回复和动态再结晶两种机制。动态回复是金属一定温度下进行塑性变形时发生空位扩散、位错运动相消和位错重排的过程，动态回复的发生会在一定程度上降低材料由变形产生的储存能。动态再结晶是指金属在热变形过程中发生再结晶形成新的晶粒的现象。不同的温度和应变速率决定了锆合金以哪种动态软化机制为主。

再结晶是织构与显微组织演变的主要机制。再结晶对织构演变的贡献取决于其形核与长大过程。取向形核，或非取向形核结合择优长大，通常会引起织构变化。然而，对于不同取向的再结晶晶粒而言，c轴(<0001>)平行于法向(ND)的晶粒往往优先长大，从而强化了〈0001〉//ND纤维织构。再结晶的晶粒核心是无畸变的,同时具有高变形能的位置可以为再结晶提供驱动力，所以再结晶可以消除晶格畸变。当新的再结晶晶粒被完全取代的时候，再结晶过程完成。但是，随着再结晶的持续发展，晶粒相互融合，促进再结晶晶粒长大，所以当塑性变形温度过高时，再结晶晶粒过大，会影响成形锆合金的性能。

表3 锆合金滑移系及孪晶系

6、锆及锆合金成形技术展望

在工业技术的迅猛发展速度下，大功率核电发电产线、大吨位化工生产产线以及特种医疗、航空航天以及相关锆合金需求将会逐步增大，市场规模及市场前景较大。与此同时，锆合金成形技术包含锆合金焊接技术、复合材料制备技术、锆合金冶炼技术及锆合金塑性成形技术等,依旧存在技术难点尚未突破，绿色节能的生产方式、成本可控的结构设计与性能稳定的产品制造将会成为锆合金生产的主要解决方向。锆合金成形技术未来将在以下几个方向上深度探索:

(1)一体式近净成形锆合金成形技术,通过结构优化设计,制造尺寸稳定、性能可控的锆合金产品;

(2)开发大型、具有良好织构取向及微观组织的锆合金锻造技术，使锆合金制品具有更加良好的强韧性;

(3)形成完整的锆合变形温度控制及金热处理技术,使锆合金构件的组织性能得到保障;

(4)优化创新锆合金连接工艺,提高锆合金部件与其他部件的结合性能，保证关键连接结构件的可靠稳定性。

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（注，原文标题：锆及锆合金发展及成形性能研究综述_董志翔）