金属铍形变和断裂行为及其机理研究

Deformation and fracture behaviors of metal beryllium with a much low c/a ratio than the ideal case are systematically studied by transmission electron microscope, scanning electron microscope, electron backscattered diffraction and in-situ tensile test in scanning electron microscope. The main contents include: the characteristics and evolution of dislocation slip and movement of beryllium metal under different deformation conditions, twinning deformation and its activated conditions, the initiation and propagation of cleavage crack, the effects of nanoscale impurities on the deformation and fracture behaviors of metal beryllium. Based on the above analaysis, clarify deformation and fracture mechanisms of metal beryllium, acqurie interaction and competition ralationships between the deformation and fracture mechanisms, define the effects of nanoscale impurities on the deformation and fracture behaviors of metal beryllium, and establish the relationships among the microstructure, deformation mechanism and the properties of metal beryllium. Then, propose to microstructure and processing parameters for obaining metal beryllium with higher ducility in factory, achieve mass production of china's metal beryllium with higher ducility, and bring new thoughts for developing china's metal beryllium with higher strength and ducility and key press-working technology breakthroughs.

利用透射电镜、扫描电镜、电子背散射衍射及扫描电镜原位拉伸等微观分析手段，研究低c/a值金属铍的变形和断裂行为。主要内容包括：金属铍在不同变形条件下的位错滑移和运动特征及其演化过程，孪晶变形及其激活条件，解理裂纹起源与扩展过程，纳米级杂质对其变形和断裂行为的影响。基于以上分析，解析金属铍形变和断裂机理，各变形机理和断裂机制之间的交互作用和竞争机制，明确杂质对金属铍解理裂纹起源的影响，建立金属铍微观组织、形变机理和性能之间的关系。进而提出工程上获得高延伸率铍材的组织结构参数和制备工艺参数，实现我国高延铍材的批量生产，并为我国高强高延铍材的研制和关键压力加工技术突破提供新的研究思路。

铍是国防、航空航天和战略核能等领域关键性、不可替代的材料。但铍室温延性低、对裂纹十分敏感。针对该问题，项目对金属铍室温变形和断裂行为及其机理进行了系统研究，主要研究内容和结果如下：.1、研究不同延伸率铍的裂纹起源、长大和扩展行为，以及微观组织缺陷对铍塑性的影响机制。结果表明：铍是典型的脆性解理断裂，基本解理面为(0001)基面和{1 00}柱面。裂纹起源于晶界一侧，穿晶扩展，在另一侧晶界终止，符合晶界位错塞积生裂纹理论。晶界强烈阻碍裂纹扩展，铍的微裂纹长大依靠不同微裂纹之间的汇合。铍的微裂纹不优先起源于微观组织缺陷，但微观组织缺陷造成缺陷处的裂纹先于其它裂纹达到裂纹临界扩展尺寸，这是造成铍延伸率降低的主要原因。杂质汇聚区、片状晶体疏松和孔洞缺陷，相当于在铍中预制一定尺寸的微裂纹；大颗粒杂质和大晶粒造成局部应力集中；晶界薄膜状杂质析出物，容易造成铍晶界结合强度降低而引发晶间断裂。.2、研究铍拉伸/压缩应力状态下的变形行为。结果表明：拉伸应力状态下铍的滑移和孪晶变形均十分困难，孪晶变形晶粒约占晶粒总数的5 %。压缩应力状态下铍表现出良好的塑性（δ = 36.30 %），这主要是滑移变形的贡献，孪晶变形的贡献主要集中在压缩变形初期，压缩应变5.74 %时孪晶变形晶粒约占晶粒总数的40 ~ 50 %，之后不再明显增加。拉伸/压缩应力状态下，铍的孪晶变形不易导致微裂纹的萌生。.3、研究BeO杂质分布和大小对铍塑性的影响。结果表明：弥散细小分布的BeO杂质对铍主要起第二相粒子强化作用，对延伸率影响不大。但随着BeO杂质颗粒的增大，BeO与铍基体之间的应力集中加剧，铍表现出明显的脆性。BeO杂质强化和脆化铍基体的临界尺寸在300 nm左右。.4、研究铍粉末烧结体热等静压时的微观组织演化过程及其对塑性的影响。结果表明：铍粉末烧结体热等静压时存在回复和再结晶，且再结晶晶粒与铍基体存在特定取向关系，这些取向大部分位于铍的重位点阵晶界附近。通过回复和再结晶，铍粉末烧结体消除了晶格畸变，降低了热等静压铍材的位错密度。温度越高，铍粉末烧结体回复再结晶越充分，延伸率提高，强度越低。.基于以上研究，项目提出工程上获得高延伸率铍材的组织结构参数和制备工艺参数，开发了我国新品级铍材，并获得了国防专利。同时，使我国主产品热等静压和热压铍材的成品率和延伸率均得到了提高，实现了我国高延铍材的批量生产。