เซอร์โคเนียมมี โครงสร้างผลึก แบบหกเหลี่ยมอัดแน่น (HCP) ที่อุณหภูมิห้อง โดยที่ การเลื่อนปริซึม〈𝑎〉 มี ความเค้นเฉือนที่แก้ไขได้วิกฤตต่ำที่สุดการเลื่อน 〈𝑎〉ตั้งฉากกับแกน 〈𝑐〉 ของเซลล์หน่วยดังนั้นจึงไม่สามารถรองรับการเสียรูปตาม 〈𝑐〉 ได้^{[ 30 ]}เพื่อให้เกิดโหมดการเลื่อนอิสระห้าโหมดและอนุญาตให้เกิดการเสียรูปตามอำเภอใจในผลึกหลายเหลี่ยม ระบบการเสียรูปทุติยภูมิ เช่น การเกิดแฝดตามระนาบพีระมิดและการเลื่อน 〈𝑐 + 𝑎〉 บนระนาบพีระมิดลำดับที่ 1 หรือลำดับที่ 2 มีบทบาทสำคัญในการเสียรูปของผลึกหลายเหลี่ยม Zr ดังนั้น กิจกรรมสัมพัทธ์ของการเลื่อนเสียรูปและโหมดการเกิดแฝดเป็นฟังก์ชันของเนื้อสัมผัสและอัตราความเครียดจึงมีความสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมการเสียรูป การเสียรูป ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันระหว่างกระบวนการผลิตส่งผลต่อเนื้อสัมผัสของชิ้นส่วน Zr ที่ได้ การทำความเข้าใจความสำคัญสัมพัทธ์ของการเกิดแฝดจากการเสียรูปและการเลื่อนตัวนั้นมีความสำคัญต่อการควบคุมเนื้อสัมผัสในกระบวนการผลิตและการคาดการณ์รูปแบบความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการใช้งาน

ระบบการเสียรูปที่ทราบใน Zr แสดงอยู่ในรูปที่ 1 ระบบการเลื่อนที่อุณหภูมิห้องที่ต้องการซึ่งมีค่าความเค้นเฉือนที่แก้ไขวิกฤตต่ำที่สุด (CRSS) ในโลหะผสม Zr เจือจางคือการเลื่อนแบบปริซึม 〈𝑎〉^{[ 31 ]} CRSS ของการเลื่อนแบบปริซึม 〈𝑎〉 เพิ่มขึ้นตามปริมาณของสารแทรก โดยเฉพาะออกซิเจน คาร์บอน และไนโตรเจน และลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น^{[ 32 ]}การเลื่อนแบบฐาน〈𝑎〉ในผลึกเดี่ยว Zr บริสุทธิ์สูงที่เสียรูปที่อัตราความเครียดต่ำ 10 ⁻⁴ s ⁻¹พบได้เฉพาะที่อุณหภูมิสูงกว่า 550 °C เท่านั้น^{[ 33 ]}ที่อุณหภูมิห้อง การเลื่อนแบบฐานเกิดขึ้นในปริมาณเล็กน้อยเป็นระบบการเลื่อนรองของการเลื่อนแบบปริซึม 〈𝑎〉 และได้รับการส่งเสริมในระหว่างการโหลดอัตราความเครียดสูง^{[ 34 ] [ 35 ]}ในการศึกษาการเสียรูปของ Zr ที่อุณหภูมิห้อง บางครั้งการเลื่อนฐาน 〈𝑎〉 จะถูกละเลย^{[ 36 ] [ 26 ]}และพบว่าไม่มีผลต่อการตอบสนองความเค้น-ความเครียดระดับมหภาคที่อุณหภูมิห้อง^{[ 37 ]}อย่างไรก็ตาม การทดสอบไมโครแคนติเลเวอร์ที่อุณหภูมิห้องของผลึกเดี่ยวใน Zr ที่มีความบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์แสดงให้เห็นว่าการเลื่อนฐาน 〈𝑎〉 มีค่า CRSS สูงกว่าการเลื่อนปริซึม 〈𝑎〉 เพียง 1.3 เท่า ซึ่งบ่งชี้ถึงการกระตุ้นอย่างมีนัยสำคัญในการเสียรูปของผลึกหลายผลึกเมื่ออยู่ในสภาวะความเค้นที่เหมาะสม การเลื่อนพีระมิดลำดับที่ 1 〈𝑐 + 𝑎〉 มีค่า CRSS สูงกว่าการเลื่อนปริซึม 〈𝑎〉 ถึง 3.5 เท่า^{[ 31 ]}การเลื่อนบนระนาบพีระมิดลำดับที่ 2 พบเห็นได้ยากในโลหะผสม Zr แต่การเลื่อนพีระมิดลำดับที่ 1 〈𝑐 + 𝑎〉 มักพบเห็นได้ทั่วไป^{[ 31 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} Jensen และ Backofen ^{[ 41 ]}สังเกตเห็นแถบเฉือนเฉพาะที่ที่มีดิสโลเคชัน 〈𝑐 + 𝑎〉 บนระนาบ {112̅ 4} ระหว่างการโหลดแกน 〈𝑐〉 ซึ่งนำไปสู่การแตกหักแบบดัดได้ที่อุณหภูมิห้อง แต่นี่ไม่ใช่ระนาบการเลื่อนเนื่องจากเวกเตอร์ 〈𝑐 + 𝑎〉 ไม่อยู่ในระนาบ {112̅ 4}

การเกิดแฝดจากการเสียรูปทำให้เกิด การเปลี่ยนแปลง การเฉือน ที่ประสานกัน ในวัสดุผลึก ประเภทของแฝดสามารถจำแนกได้เป็นแฝดหดตัว (C1, C2) หรือแฝดขยายตัว (T1, T2) ซึ่งรองรับความเครียดเพื่อหดตัวหรือขยายตัวตาม แกน < 𝑐> ของ เซลล์หน่วยแบบ หกเหลี่ยมอัดแน่น (HCP) การเกิดแฝดถูกกำหนดทางผลึกศาสตร์โดยระนาบแฝด 𝑲 ซึ่งเป็นระนาบสะท้อนในวัสดุแฝดและวัสดุหลัก และ 𝜼 ซึ่งเป็นทิศทางการเฉือนของการเกิดแฝด แฝดจากการเสียรูปใน Zr โดยทั่วไปมีรูปร่างคล้ายเลนส์ ยืดออกในทิศทาง 𝜼 และหนาขึ้นตาม ระนาบตั้งฉากกับ 𝑲 ^{[ 42 ]}

ระนาบแฝด ทิศทางการเฉือน และระนาบการเฉือนประกอบกันเป็นเวกเตอร์พื้นฐานของชุดเวกเตอร์ตั้งฉาก ความสัมพันธ์ของการวางแนวที่ไม่ตรงกันของแกนและมุมระหว่างผลึกหลักและผลึกแฝดคือการหมุนด้วยมุม 𝜉 รอบทิศทางปกติ 𝑷 ของระนาบการเฉือน

โดยทั่วไป การเกิดแฝดสามารถอธิบายได้ว่าเป็นการหมุน 180° รอบแกน (ทิศทางปกติ 𝜼 หรือ 𝑲 ) หรือการสะท้อนแบบกระจกในระนาบ (ระนาบปกติ 𝑲 หรือ 𝜼 ) แฝดประเภทที่เด่นในเซอร์โคเนียมคือแฝด 𝑲 = {101̅2} 𝜼 = <101̅1> (T1) และสำหรับแฝด {101̅2}<101̅1> นี้ จะไม่มีความแตกต่างระหว่างการแปลงทั้งสี่แบบ เนื่องจากมีความเทียบเท่ากัน^{[ 42 ]}

เนื่องจากโครงสร้างผลึก HCP มีสมมาตร จึงมีแฝดผลึกที่เทียบเท่ากันทางผลึกศาสตร์หกแบบสำหรับแต่ละประเภท แฝดผลึกที่แตกต่างกันของประเภทเดียวกันในเกรนนั้นไม่สามารถแยกแยะได้ด้วยการเบี่ยงเบนของมุมแกนเทียบกับผลึกแม่ ซึ่งมีค่าเท่ากันสำหรับแฝดผลึกทุกแบบของประเภทเดียวกัน อย่างไรก็ตาม สามารถแยกแยะได้โดยใช้ทิศทางสัมบูรณ์เทียบกับแกนรับแรง และในบางกรณี (ขึ้นอยู่กับระนาบการตัด) ร่องรอยขอบเขตแฝดผลึก

ชนิดของแฝดหลักที่เกิดขึ้นในตัวอย่างใดๆ ขึ้นอยู่กับสถานะและอัตราความเครียดอุณหภูมิและการวางแนวของผลึกในตัวอย่างขนาดมหาสาร โดยทั่วไปแล้วจะได้รับอิทธิพลอย่างมากจากเนื้อสัมผัสทางผลึกศาสตร์ ขนาดของเกรน และโหมดการเสียรูปที่แข่งขันกัน (เช่น การเลื่อนของดิสโลเคชัน) รวมกับแกนและทิศทางการรับแรง แฝดชนิด T1 จะเด่นที่อุณหภูมิห้องและอัตราความเครียดแบบกึ่งคงที่^{[ 36 ]}แฝดชนิดที่พบในอุณหภูมิไนโตรเจนเหลว ได้แก่ {112̅2}〈112̅3̅〉 (แฝด C1) และ {101̅2}〈101̅1〉 (แฝด T1) แฝดรองชนิดอื่นอาจเกิดขึ้นภายในแฝดหลักเมื่อผลึกมีการวางแนวใหม่โดยสัมพันธ์กับแกนการรับแรง^{[ 36 ]}ระบบแฝดอัด C2 {101̅1}〈1̅012〉 จะทำงานเฉพาะที่อุณหภูมิสูง^{[ 43 ] [ 44 ]}และจะทำงานมากกว่าการเลื่อนฐานระหว่างการเปลี่ยนรูปที่ 550 °C ^{[ 33 ]}

การเสียรูปของวัสดุภายใต้ความเค้นคงที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง เรียกว่าการคืบ (การเสียรูป)สถานะหลักสามประการของการคืบ ได้แก่ ขั้นปฐมภูมิ ขั้นทุติยภูมิ หรือที่เรียกว่าสภาวะคงที่ และขั้นตติยภูมิ ในระหว่างการคืบในสภาวะคงที่ กลไกการแพร่หรือการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันอาจมีบทบาทสำคัญ แผนที่การเสียรูปสามารถแสดงกลไกการคืบที่เด่นชัดโดยสัมพันธ์กับอุณหภูมิและความเค้นที่เปลี่ยนแปลงไปได้ สำหรับเซอร์โคเนียมคาร์ไบด์ (ZrC) ซึ่งเป็นคาร์ไบด์โลหะทรานซิชัน แผนที่การเสียรูปมีให้ใน Frost และ Ashby ^{[ 45 ]}ตามที่ Hayes et al. กล่าวไว้เซอร์โคเนียมมีพฤติกรรมเหมือนโลหะคลาส II ^{[ 46 ]}ซึ่งหมายความว่าที่อุณหภูมิต่ำและความเค้นต่ำ จะมีส่วนประกอบของความเค้น (n) ประมาณ 1 นี่คือการคืบแบบ Harper-Dorn ซึ่งถูกครอบงำโดยการแพร่ของขอบเกรนเมื่อความเค้นเพิ่มขึ้น เลขชี้กำลังของความเค้นจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 6 ซึ่งจะอยู่ในการคืบแบบกำลัง ซึ่งถูกครอบงำโดยดิสโลเคชัน เมื่อความเค้นสูงกว่า 2×10 ⁻³จะเกิดการแตกตัวของกฎกำลัง^{[ 46 ]}มีหลายวิธีที่อาจช่วยปรับปรุงความต้านทานการคืบของเซอร์โคเนียมได้ เช่น การเติมธาตุผสมและ/หรือการใช้เทคนิคการประมวลผลที่แตกต่างกัน ธาตุเจือปนที่พบได้บ่อยที่สุดคือแมกนีเซียม อิตเทรียม แคลเซียม และซีเรียม เหวินและคณะได้ใช้การจำลองและการทดสอบเชิงทดลองเพื่อแสดงให้เห็นว่ากลไกการเสียรูปของเซอร์คาลอย-4 ได้รับผลกระทบจากความหนาแน่นของดิสโลเคชันและ การเสริมความแข็งแรง ของสารละลาย^{[ 47 ]}

การใช้งานที่สำคัญอย่างหนึ่งของโลหะผสมเซอร์โคเนียมคือการใช้เป็นวัสดุหุ้มสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ดังนั้นผลกระทบจากการคืบตัวของการฉายรังสีจึงมีความสำคัญ นักวิจัยหลายคนได้รายงานค่าการคืบตัวที่ต่ำกว่าในโลหะผสมเซอร์คาลอยที่ผ่านการฉายรังสี ซึ่งหมายความว่าการฉายรังสีช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการคืบตัว^{[ 48 ] [ 49 ]}

Kaschner และ Gray ^{[ 50 ]}สังเกตว่าความเค้นครากเพิ่มขึ้นตามอัตราความเครียดที่เพิ่มขึ้นในช่วง 0.001 s ⁻¹และ 3500 s ⁻¹และความไวต่ออัตราความเครียดในความเค้นครากจะสูงกว่าเมื่อบีบอัดแบบแกนเดียวตามส่วนประกอบของเนื้อสัมผัสที่มีระนาบปริซึมเป็นหลักมากกว่าระนาบฐาน พวกเขาสรุปว่าความไวต่ออัตราของความเค้นไหลสอดคล้องกับแรง Peierls ที่ยับยั้งการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันในโลหะที่มีสมมาตรต่ำในระหว่างการเสียรูปที่ควบคุมโดยการเลื่อน ซึ่งใช้ได้ในระยะเริ่มต้นของการเสียรูปที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งใน Zr มักจะควบคุมโดยการเลื่อน^{[ 51 ]}

ตัวอย่างที่ถูกบีบอัดตาม ส่วนประกอบ ของเนื้อสัมผัสที่มีระนาบปริซึมเป็นหลักจะให้ผลผลิตที่ความเค้น ต่ำ กว่าส่วนประกอบของเนื้อสัมผัสที่มีระนาบฐานเป็นหลัก^{[ 50 ]}ซึ่งสอดคล้องกับความเค้นเฉือนที่แก้ไขวิกฤตที่สูงกว่าสำหรับ การเลื่อนแบบพีระมิด < 𝑐 + 𝑎> เมื่อเทียบกับ การเลื่อนแบบปริซึม < 𝑎> ใน การศึกษาด้วย กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านของเซอร์โคเนียมที่เสียรูปที่อุณหภูมิห้อง McCabe et al. ^{[ 36 ]}สังเกตเห็นเฉพาะ ดิสโลเคชัน < 𝑎> ในตัวอย่างที่มีเนื้อสัมผัสแบบปริซึม ซึ่งสันนิษฐานว่าอยู่บนระนาบปริซึม ทั้ง การเลื่อน < 𝑎> (ปริซึม) และ <112̅3̅> < 𝑐 + 𝑎> ({101̅1} พีระมิด) ถูกสังเกตในตัวอย่างที่มีเนื้อสัมผัสแบบฐานที่อุณหภูมิห้อง แต่สังเกตเห็นเฉพาะดิสโลเคชัน< 𝑎> ในตัวอย่างเดียวกันที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว

ที่อัตราความเครียดแบบกึ่งคงที่ McCabe et al. ^{[ 36 ]}สังเกตเห็นการเกิดแฝด T1 เฉพาะในตัวอย่างที่ถูกบีบอัดตามทิศทางแผ่นที่มีส่วนประกอบของเนื้อสัมผัสแบบปริซึมตามแกนการโหลดเท่านั้น พวกเขาไม่พบการเกิดแฝด T1 ในตัวอย่างที่ถูกบีบอัดตามเนื้อสัมผัสฐานจนถึงความเครียด 25% Kaschner และ Gray สังเกตว่าการเสียรูปที่อัตราความเครียดสูง (3000s ⁻¹ ) ทำให้เกิดแฝดมากกว่าที่อัตราความเครียดแบบกึ่งคงที่ แต่ไม่ได้ระบุชนิดของแฝดที่เกิดขึ้น^{[ 50 ]}

Capolungo et al. ^{[ 52 ]}ศึกษาการเกิดแฝดเป็นฟังก์ชันของการวางแนวเกรนภายในตัวอย่าง พวกเขาคำนวณปัจจัย Schmid โดยรวมโดยใช้ทิศทางความเค้นที่ใช้ในระดับมหภาค พวกเขาพบความเค้นเฉือนที่แก้ไขบนเกรนใดๆ โดยไม่พิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเกรนในระดับท้องถิ่น ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงสถานะความเค้น พวกเขาพบว่าแม้ว่าแฝดส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นในเกรนที่มีการวางแนวที่เหมาะสมสำหรับการเกิดแฝดตามปัจจัย Schmid โดยรวม แต่เกรนประมาณ 30% ที่มีการวางแนวที่ไม่เหมาะสมสำหรับการเกิดแฝดก็ยังคงมีแฝดอยู่ ในทำนองเดียวกัน แฝดที่มีอยู่ไม่ได้เป็นตัวแปรปัจจัย Schmid โดยรวมสูงสุดเสมอไป โดยมีเพียง 60% ของแฝดในตัวแปรปัจจัย Schmid สูงสุด สิ่งนี้สามารถอธิบายได้จากการพึ่งพาอย่างมากต่อสภาวะความเค้นในระดับท้องถิ่นในเกรนหรือขอบเกรน^{[ 53 ]}ซึ่งยากต่อการวัดในเชิงทดลอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อัตราความเครียดสูง Knezevic et al . ^{[ 37 ]}ได้ทำการปรับข้อมูลการทดลองของ Zr โพลีคริสตัลไลน์ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เข้ากับแบบจำลองวิสโคพลาสติกที่สอดคล้องกันเพื่อศึกษาความไวต่ออัตราและอุณหภูมิของระบบการเลื่อนและการเกิดแฝด พวกเขาพบว่าการเกิดแฝดแบบ T1 เป็นระบบการเลื่อนที่เด่นที่สุดที่อุณหภูมิห้องสำหรับอัตราความเครียดระหว่าง 10 ⁻³และ 10 ³ s ⁻¹การเลื่อนฐานไม่ก่อให้เกิดการเสียรูปต่ำกว่า 400°C พบว่าการเกิดแฝดไม่ไวต่ออัตรา และความไวต่ออัตราของการเลื่อนสามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการเกิดแฝดตามฟังก์ชันของอัตราความเครียดได้

การเกิดแฝด T1 เกิดขึ้นได้ทั้งในระหว่างการโหลดแบบกึ่งคงที่และการโหลดอัตราสูง การเกิดแฝด T2 เกิดขึ้นเฉพาะที่การโหลดอัตราสูงเท่านั้น สัดส่วนพื้นที่ที่คล้ายกันของการเกิดแฝด T1 และ T2 จะถูกกระตุ้นที่อัตราความเครียดสูง แต่การเกิดแฝด T2 ทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติกมากกว่าเนื่องจากแรงเฉือนของการเกิดแฝดที่สูงกว่า แฝด T1 มีแนวโน้มที่จะหนาขึ้นโดยมีร่องรอยขอบเขตที่ไม่สอดคล้องกันมากกว่าที่จะยืดออกไปตามระนาบการเกิดแฝด และในบางกรณี เกือบจะกินเกรนหลักทั้งหมด แฝด T1 หลายรูปแบบสามารถเกิดขึ้นในเกรนเดียวกันได้ และปลายแฝดจะถูกบีบที่ภายในเกรน ในทางกลับกัน แฝด T2 มีแนวโน้มที่จะยืดออกแทนที่จะหนาขึ้น และมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในแถวขนานของรูปแบบเดียวกันที่ขยายจากขอบเขตหนึ่งไปยังอีกขอบเขตหนึ่ง^{[ 25 ]}

สำหรับเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ (CP-Zr) ที่มีความบริสุทธิ์ 97.0% ระบบการเลื่อนแบบฐาน (basal), แบบพีระมิด 〈𝑎〉 (pyramidal) และแบบพีระมิด 〈𝑐 + 𝑎〉 (pyramidal) จะเป็นระบบที่เด่นใน การบีบอัด ที่อุณหภูมิห้องตามทิศทางตั้งฉาก (ND) ทั้งในสภาวะกึ่งคงที่และสภาวะอัตราความเครียดสูง ซึ่งไม่พบในเซอร์โคเนียมแบบผลึกหลายเหลี่ยมและผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูง ในการเสียรูปตามทิศทางขวาง (TD) ของแกน 〈𝑎〉 ระบบการเลื่อนแบบปริซึม 〈𝑎〉 และแบบพีระมิด 〈𝑎〉 จะเป็นระบบที่เด่น ระบบการเลื่อนแบบพีระมิด 〈𝑎〉 และแบบฐานมีความแพร่หลายมากกว่าที่รายงานไว้ในเอกสารปัจจุบัน แม้ว่านี่อาจเป็นเพราะวิธีการวิเคราะห์แบบดั้งเดิมไม่สามารถระบุการเลื่อนแบบพีระมิด 〈𝑎〉 ได้ง่ายก็ตาม ระบบการเลื่อนฐานได้รับการส่งเสริม และการเลื่อนปริซึม 〈𝑎〉 ถูกระงับที่อัตราความเครียดสูง (HR) เมื่อเทียบกับการโหลดอัตราความเครียดกึ่งคงที่ (QS) ซึ่งเป็นอิสระจากพื้นผิวแกนการโหลด (ND/TD) ^{[ 25 ]}