Zr-Cr-Fe合金固态相变行为及Mo,Bi合金元素的影响

发布时间：2020-04-05 18:34

【摘要】：本论文以一种新型Zr-1.0Cr-0.4Fe(wt.%)合金为研究对象,综合采用X射线衍射(XRD)、电子通道衬度(ECC)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微(TEM)等分析技术,系统研究了Zr-1.0Cr-0.4Fe合金马氏体相变组织特征,块状相变晶体学、形核-长大及变体选择机制。此外,本文还结合第一性原理模拟研究了合金元素对Zr-1.0Cr-0.4Fe-(0.4Mo)合金淬火组织的影响规律以及合金元素在Zr Cr2 Laves中的分配行为及晶格占位。得到的主要结论如下:Zr-1.0Cr-0.4Fe合金β相液氮淬火组织全部为α相,无残留β相。高温β相按照Burgers关系转变得到12种α马氏体变体,该12种α变体并非随机分布,而是择优形成了四种三变体团簇并呈三角形貌分布,三变体之间的取向关系为60°/(27)1120(29),其择优形成机制是通过变体之间的自协作来协调相变过程中的形状应变。Zr-1.0Cr-0.4Fe合金β相液氮淬火后,在原β晶界处形成大量的αm块状晶粒。相变过程中β母相与αm块状相之间符合严格的Burgers关系,其形核-长大过程遵循取向形核和非取向长大机制,该特殊的形核-长大机制使得块状晶粒与母相之间呈交叉分布特征。块状相变过程中存在明显的变体选择现象,不同块状变体在形核与长大阶段都存在择优选择过程,其中形核阶段的选择机制为临界晶核激活能,即对于所有12种块状变体,能够沿β相晶界形核的变体通常需要其与非Burgers母相偏离Burgers关系角度尽可能小,以保证其具有较低的临界晶核激活能。块状晶核的择优长大机制主要由相界面移动速率决定。Mo和Bi元素对Zr-1.0Cr-0.4Fe-(0.4Mo)合金的淬火组织产生重要的影响。液氮淬火条件下,Mo元素能够有效细化马氏体板条,而Bi元素对板条宽度的影响不明显。水冷淬火条件下,随Mo元素含量的逐渐增加(0→0.6 wt.%),Zr-1.0Cr-0.4Fe-x Mo合金的相组成变化趋势为:α→α+β+ω→β+ω(少量)→β。Bi元素能够促进合金中α相的析出,抑制β相的残留,但是对ω相影响并不明显。基于实验及理论计算表明Mo元素作为一种β相稳定元素,能够强烈提高β相的稳定性;而Bi元素为α相稳定元素,能够促进α相的形成。合金元素除了对锆合金淬火组织产生重要的影响,还会对析出相产生重要的作用。因此,本论文采用TEM技术并结合第一性原理模拟,进一步研究了Fe、Mo和Bi元素在Zr Cr2 Laves相中的分配行为和晶格占位。STEM-EDS分析显示具有相同初始含量的Fe、Mo和Bi元素在Zr Cr2 Laves相中的分布趋势为:Fe㧐Mo㧐Bi,而通过第一性原理计算得到的Fe、Mo和Bi在Zr Cr2 Laves相中的平衡掺杂浓度具有相同的趋势。晶格占位分析显示Fe元素占据Cr晶格位置的倾向性最强,而Mo和Bi元素占据Cr晶格位置的倾向性较弱。电子结构分析显示原子之间的杂化效应以及赝能隙效应是引起合金元素不同分配行为和晶格占位的本质原因。
【图文】：

示意图,压水堆,燃料组件,压力容器

图 1.1 (a) 压水堆压力容器内部结构示意图，(b) 压水堆燃料组件示意图Fig. 1.1 Schematic diagram of (a) pressure vessel and (b) fuel assembly for PWR1.1.1 锆的基本性质锆，化学符号 Zr，位于化学元素周期表中 IV B 族，是过渡族金属。锆的原子序数为 40，平均相对原子质量为 91.22，原子半径为 1.59 ，密度为 6.49kg/m3，熔点约为 1852 2°C，沸点约为 4377°C。在室温下，锆通常具有密排六方结构(Hexagonal close-packed, HCP)，称为 α-Zr，其晶格常数为 a=0.323nm，c=0.515nm，轴比 c/a =1.593。α-Zr 通常在约 865°C 时发生同素异构转变，形成体心立方晶体结构(Body centered cubic, BCC)的 β-Zr，其晶格常数为 a=0.355nm。在 β→α 相变时，β 母相的{110}晶面平行于 α 相的{0001}面，而 β 母相的 111 晶向平行于 α 相的 1120 晶向，即 {1 10 } {000 1 } P 和 111 11 20 P ，该晶体学关系被称为Burgers 取向关系[7,8]。锆合金作为一种重要的军事战略材料，具有良好的核性能，被誉为“原子时代的第一金属”。锆的热中子吸收截面很小，为 0.185b (1b=1 10-28m2)，表 1.1 列

示意图,取向关系,两相,示意图

图 1.2 α 与 β 两相间的 Burgers 取向关系示意图[31]Schematic representation of the Burgers orientation relationship between α an氏体相变的影响因素率相过冷至一定温度时，锆合金开始发生马氏体转变，，此温度期的研究者认为，对于 Zr-2.5Nb 和 Zr-3Nb 合金，随着冷却速逐渐降低[22,23]，而这与广泛被接受的“马氏体转变开始温度不随观点相悖。随后，Slattery[45]以 Zr-2Cr-0.16 Fe 合金为例对此进：当冷却速率较低（低于 400°C/s）时，β→α 相变为扩散控制的，其微观组织与 U-Cr 合金中的贝氏体组织较为相似；当冷却速700°C/s）时，会在 705°C 左右出现一个不受冷却速率影响的转氏体转变开始温度 Ms；而当冷却速率介于 400°C/s 和 1700°C 左右也会出现一个转变平台，对应于一种介于平衡相变和马氏程。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.414

【参考文献】