新型ZrAl二元合金组织调控及力学性能研究
发布时间：2022-01-12 05:21
锆（Zr）及其合金因具有低的热中子吸收截面和优异的耐腐蚀性能而作为结构材料广泛的应用于核电工业以及化工行业。Zr还具有比铁（Fe）低的密度、比钛（Ti）小的热膨胀系数、良好的生物兼容性、无磁和高熔点等特点,可作为结构材料应用于航空航天、船舶以及生物医疗等行业。然而,现有的Zr合金主要作为核燃料包壳材料而开发。因为受到热中子经济性以及耐腐蚀性等因素的限制,核用Zr合金的合金元素种类和含量受到了极大的限制,导致其力学性能难以提高。此外,用于制备核用Zr合金的原子能级海绵锆价格昂贵,限制了核用Zr合金在核电工业以外其他行业的应用。铝（Al）是一种含量丰富的、廉价的工业金属,被广泛的用作合金元素添加到Ti中,强化Ti合金。Zr与Ti属于同族元素,最外层电子排布相同,理化性质相似。鉴于Al在Ti中具有较好的强化效果,其对Zr也可能具有较好的强化效果。此外,Al是一种α相稳定元素,可以显著的提高Zr的相变温度,从而有利于Zr在较高温度下通过变形获得综合力学性能较好的球化组织。因此,选取Al作为合金元素,以廉价的、未经锆铪（Hf）分离工艺冶炼的工业纯锆作为原材料制备ZrAl合金,系统的研究ZrAl合...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锆的温度—压力相图[57]
密排六方结构的α-Zr在<c>轴方向略有压缩,其轴比(c/a)为1.59,小于密排六方结构的理想轴比值1.63。更加开放的体心立方结构与密排六方结构相比,具有更高的振动熵。随着温度增加,体心立方结构晶格自由能比密排六方结构晶格自由能下降更快。两种不同结构的晶格自由能随温度变化曲线将有一个交点,当温度大于这个交点温度时,体心立方结构将比密排六方结构自由能更低、更稳定,密排六方结构将转变为体心立方结构[59,60]。ω相因合金元素含量的差异存在两种结构,一种是六方结构,属于P6/mmm空间群,另一种是三方结构(Trigonal),属于P3?m1空间群。理想ω结构的等同位置为0 0 0、2/3 1/3(1/2-z)、1/3 2/3(1/2+z)。当z=0时,ω相为六方结构;0<z<1/6时,ω相为三方结构[57]。α、β和ω相的晶胞示意图如图1-2所示[61,62]。除了平衡相外,锆还存在多种非平衡相。这些非平衡相可分为两种:马氏体相和绝热ω相。马氏体相包括α′相和α″相,由高温β相在冷却的过程中通过马氏体转变形成。马氏体相变产物的晶体结构取决于高温β相中合金元素的含量和种类。ω相除了可以通过高压的手段得到外,还可以通过变形、淬火和时效等方法得到。由高温β相淬火得到的ω相被称为绝热ω相,由马氏体相或者亚稳β相时效分解得到的ω相被称为等温ω相,亚稳β相在变形的过程中诱发相变形成的ω相被称为应力诱发ω相[57,62-65]。
马氏体相和绝热ω相都是由高温β相通过位移型相变形成,高温β相淬火的绝热产物主要取决于锆中β稳定元素的种类、含量和冷却速度。图1-3为锆基二元体系高温β相淬火绝热产物与β稳定元素含量的关系示意图[57]。从图中可以看出,随着锆中β稳定元素含量(xB)的增加,β相淬火得到的绝热产物依次为α′、α″和ω相。α′相晶体结构与α相相同,具有密排六方结构。α″相为斜方结构(Orthorhombic),可以被看作是一种扭曲的六方结构。当0<xB<x1时,高温β相淬火的绝热产物为α′马氏体相,x1被定义为马氏体转变产物的晶格由六方结构扭曲为斜方结构所需的过饱和β稳定元素的起始含量。当x1<xB<x2时,高温β相淬火的绝热产物为ω相,其中x2被定义为α″转变起始温度随成分变化曲线与ω转变起始温度随成分变化曲线的交点所对应的β稳定元素的含量。当高温β相中β稳定元素的含量超过ω转变起始温度随β稳定元素变化曲线与室温线的交点时,β相就可以在室温下保留下来。此外,合金在α+β两相区的淬火温度将影响在该温度下平衡态高温β相中β稳定元素的含量,从而影响高温β相淬火的绝热产物。从图中可以看出,当β稳定元素含量为x4的合金从T1温度淬火,绝热转变产物为α′相,当合金从T2温度淬火,绝热转变产物为α″相,当合金从T4温度淬火,绝热转变产物为ω相,当合金从T5温度淬火,高温β相将完全保留到室温[57]。α′马氏体相变是锆及其合金中较为常见和重要的一种相变。母相β相与子相α′和α相之间存在特定的位向关系:{110}β‖{0001}α′/α,<11?1>β‖<112?0>α′/α[66,67]。母相β相与子相α′和α相之间晶格对应关系如图1-4所示[57]。由于{110}晶面存在六个等同晶面,同一{110}晶面上的<111>晶向有两个等同晶向,因此由同一个β晶粒转变得到的α′或者α晶粒存在十二种不同的晶体学取向。每一种取向被称为一种变体,每种变体出现的概率往往不同,即会发生所谓的“变体选择”现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]核能放射性污染研究[J]. 张晗,闫大海,刘鹏飞. 舰船科学技术. 2018(19)
[2]事故容错燃料包壳候选材料的研究现状及展望[J]. 刘俊凯,张新虎,恽迪. 材料导报. 2018(11)
[3]MRI磁兼容合金研究[J]. 任伊宾,李俊,王青川,杨柯. 金属学报. 2017(10)
[4]锆及锆合金在工业领域的应用[J]. 石明华,刘彩利,周军,田锋,张建军,王文生,李中奎. 热加工工艺. 2015(18)
[5]NZ2锆合金碘致应力腐蚀[J]. 石明华,李中奎,田锋,戴训,张建军,周军,王文生. 稀有金属材料与工程. 2013(08)
[6]锆材化工离心泵的国产化及其在醋酸化工领域的应用[J]. 朱广. 精细化工原料及中间体. 2012 (05)
[7]锆合金在核工业中的应用及研究进展[J]. 王旭峰,李中奎,周军,田锋. 热加工工艺. 2012(02)
[8]热加工对NZ2锆合金在400℃过热水蒸气中吸氢行为的影响[J]. 石明华,李中奎,张建军,周军,田锋,王文生,王旭峰. 稀有金属材料与工程. 2011(10)
[9]热轧温度对NZ2锆合金第二相粒子的影响[J]. 石明华,李中奎,张建军,周军,田锋,王文生,朱梅生. 稀有金属材料与工程. 2010(08)
[10]锆与钛耐蚀性比较及应用互补性[J]. 余存烨. 腐蚀与防护. 2007(05)
博士论文
[1]高强度TiZrAl合金的制备及组织性能研究[D]. 蒋晓军.燕山大学 2015
硕士论文
[1]Zr-2.5Nb合金的热氧化工艺及生物相容性研究[D]. 杨婷.中国矿业大学 2017
[2]医用锆铌合金氧化陶瓷层的制备及其性能研究[D]. 周林菊.华南理工大学 2015
本文编号：3584180
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锆的温度—压力相图[57]
密排六方结构的α-Zr在<c>轴方向略有压缩,其轴比(c/a)为1.59,小于密排六方结构的理想轴比值1.63。更加开放的体心立方结构与密排六方结构相比,具有更高的振动熵。随着温度增加,体心立方结构晶格自由能比密排六方结构晶格自由能下降更快。两种不同结构的晶格自由能随温度变化曲线将有一个交点,当温度大于这个交点温度时,体心立方结构将比密排六方结构自由能更低、更稳定,密排六方结构将转变为体心立方结构[59,60]。ω相因合金元素含量的差异存在两种结构,一种是六方结构,属于P6/mmm空间群,另一种是三方结构(Trigonal),属于P3?m1空间群。理想ω结构的等同位置为0 0 0、2/3 1/3(1/2-z)、1/3 2/3(1/2+z)。当z=0时,ω相为六方结构;0<z<1/6时,ω相为三方结构[57]。α、β和ω相的晶胞示意图如图1-2所示[61,62]。除了平衡相外,锆还存在多种非平衡相。这些非平衡相可分为两种:马氏体相和绝热ω相。马氏体相包括α′相和α″相,由高温β相在冷却的过程中通过马氏体转变形成。马氏体相变产物的晶体结构取决于高温β相中合金元素的含量和种类。ω相除了可以通过高压的手段得到外,还可以通过变形、淬火和时效等方法得到。由高温β相淬火得到的ω相被称为绝热ω相,由马氏体相或者亚稳β相时效分解得到的ω相被称为等温ω相,亚稳β相在变形的过程中诱发相变形成的ω相被称为应力诱发ω相[57,62-65]。
马氏体相和绝热ω相都是由高温β相通过位移型相变形成,高温β相淬火的绝热产物主要取决于锆中β稳定元素的种类、含量和冷却速度。图1-3为锆基二元体系高温β相淬火绝热产物与β稳定元素含量的关系示意图[57]。从图中可以看出,随着锆中β稳定元素含量(xB)的增加,β相淬火得到的绝热产物依次为α′、α″和ω相。α′相晶体结构与α相相同,具有密排六方结构。α″相为斜方结构(Orthorhombic),可以被看作是一种扭曲的六方结构。当0<xB<x1时,高温β相淬火的绝热产物为α′马氏体相,x1被定义为马氏体转变产物的晶格由六方结构扭曲为斜方结构所需的过饱和β稳定元素的起始含量。当x1<xB<x2时,高温β相淬火的绝热产物为ω相,其中x2被定义为α″转变起始温度随成分变化曲线与ω转变起始温度随成分变化曲线的交点所对应的β稳定元素的含量。当高温β相中β稳定元素的含量超过ω转变起始温度随β稳定元素变化曲线与室温线的交点时,β相就可以在室温下保留下来。此外,合金在α+β两相区的淬火温度将影响在该温度下平衡态高温β相中β稳定元素的含量,从而影响高温β相淬火的绝热产物。从图中可以看出,当β稳定元素含量为x4的合金从T1温度淬火,绝热转变产物为α′相,当合金从T2温度淬火,绝热转变产物为α″相,当合金从T4温度淬火,绝热转变产物为ω相,当合金从T5温度淬火,高温β相将完全保留到室温[57]。α′马氏体相变是锆及其合金中较为常见和重要的一种相变。母相β相与子相α′和α相之间存在特定的位向关系:{110}β‖{0001}α′/α,<11?1>β‖<112?0>α′/α[66,67]。母相β相与子相α′和α相之间晶格对应关系如图1-4所示[57]。由于{110}晶面存在六个等同晶面,同一{110}晶面上的<111>晶向有两个等同晶向,因此由同一个β晶粒转变得到的α′或者α晶粒存在十二种不同的晶体学取向。每一种取向被称为一种变体,每种变体出现的概率往往不同,即会发生所谓的“变体选择”现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]核能放射性污染研究[J]. 张晗,闫大海,刘鹏飞. 舰船科学技术. 2018(19)
[2]事故容错燃料包壳候选材料的研究现状及展望[J]. 刘俊凯,张新虎,恽迪. 材料导报. 2018(11)
[3]MRI磁兼容合金研究[J]. 任伊宾,李俊,王青川,杨柯. 金属学报. 2017(10)
[4]锆及锆合金在工业领域的应用[J]. 石明华,刘彩利,周军,田锋,张建军,王文生,李中奎. 热加工工艺. 2015(18)
[5]NZ2锆合金碘致应力腐蚀[J]. 石明华,李中奎,田锋,戴训,张建军,周军,王文生. 稀有金属材料与工程. 2013(08)
[6]锆材化工离心泵的国产化及其在醋酸化工领域的应用[J]. 朱广. 精细化工原料及中间体. 2012 (05)
[7]锆合金在核工业中的应用及研究进展[J]. 王旭峰,李中奎,周军,田锋. 热加工工艺. 2012(02)
[8]热加工对NZ2锆合金在400℃过热水蒸气中吸氢行为的影响[J]. 石明华,李中奎,张建军,周军,田锋,王文生,王旭峰. 稀有金属材料与工程. 2011(10)
[9]热轧温度对NZ2锆合金第二相粒子的影响[J]. 石明华,李中奎,张建军,周军,田锋,王文生,朱梅生. 稀有金属材料与工程. 2010(08)
[10]锆与钛耐蚀性比较及应用互补性[J]. 余存烨. 腐蚀与防护. 2007(05)
博士论文
[1]高强度TiZrAl合金的制备及组织性能研究[D]. 蒋晓军.燕山大学 2015
硕士论文
[1]Zr-2.5Nb合金的热氧化工艺及生物相容性研究[D]. 杨婷.中国矿业大学 2017
[2]医用锆铌合金氧化陶瓷层的制备及其性能研究[D]. 周林菊.华南理工大学 2015
本文编号：3584180
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