U-2Nb合金等温相变动力学研究
发布时间：2021-09-06 12:40
U-2Nb合金是核工业中重要的核结构材料,以其高密度高强度的优势在辐射屏蔽等方面广泛应用。因目前对其相变过程尚不明确,对其结构与力学性能的关联缺乏量化分析,导致对该合金的性能认识不够全面,本文针对这两个科学问题,采用光学显微镜、扫描电镜等分析仪器与拉伸、压缩实验等测试方法,研究了 U-2Nb合金450℃～635℃的等温相变动力学过程与对应的力学性能变化。对其相转变速率、相变反应激活能、形核位置等进行统计分析,为判断该合金相变机制做出了前期准备,对结构与性能的关联做了分析总结。本文完成了相转变速率的数据采集与整体动力学方程的建模,计算了对应的激活能,辨别了不同相变情形下的显微组织形貌特征,初步解释了显微结构与力学性能的关联。结果表明:U-2Nb合金在550℃-635℃的等温相变过程中存在两类特征鲜明的显微组织样貌,针状组织与胞状组织,分属于两类相变机制。影响它们力学性能的主要因素是针状组织或者胞状组织的片层间距,受温度与时间的共同影响。片层间距主要取决于其形成温度,温度越高,片层间距越大,强度随之降低,塑性随之提升,等温时间与片层间距呈正相关。这一温区内获得的最佳综合性能为延伸率22%,...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｕ－Ｎｂ合金物相稳定性与维氏硬度随Ｎｂ含量的变化关系Ｗ??
?Ｕ－２Ｎｂ合金等温相变动力学研宄???在室温条件下，对铀铌合金的相结构的影响除了铌含量外，还与热处理的过程密切??相关，图１．２所示，从图中可以较为直观的体现出冷却速率大小会使得同一成分的铀铌??合金生成不同类的相结构。这就表明，不同的热处理工艺，能调节固定成分铀铌合金的??相组分与结构，从而体现出不同的力学性能。??８００????７５０?■?１?Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ??＾?Ｑｕｅｎｃｈ??Ｕ?７００?－：?Ｒａｔｅ??？?６００??｜?５００?■??Ｈ?／?６．２＊？Ｎｂ??４５０?＇：?Ｂａｎｄｅｄ??４００???Ｉ?‘…叫????０．０１?Ｉ?１００?１００００??Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｒａｔｃ（Ｋ／ｓ）??图１．２四种不同组分Ｕ－Ｎｂ合金的连续冷却转变（ＣＣＴ）曲线Ｍ??在铀铌合金的生产和处理过程中，熔炼与浇注温度，热变形温度范围、热处理类型??等工艺参数需依据相图来制定。??目前，对于铀铌合金体系的主要研究集中在低铌含量的Ｕ－２Ｎｂ？Ｕ－６Ｎｂ等相近成分??的合金上（质量分数，下同），在此主要展现富铀端的热力学平衡相图［７］。??从Ｕ－Ｎｂ合金平衡相图１．３中可以看出，Ｎｂ元素能够与高温状态下ＢＣＣ结构的ｙ－Ｕ??完全互溶，在高温区呈现的状态为连续固溶体（丫－ＢＣＣ）。该体系中固溶体分为两种不同浓??度的固溶体一一ｙｉ相（最大Ｎｂ含量为６．２％）和爿２相（最大Ｎｂ含量达５０％），不存在中间??化合物⑴。而在单析反应温度线（６４７。〇以下为两相组织（ｃｔ－正交＋７－ＢＣＣ）。??以Ｕ－２Ｎｂ合金为例：从单相）＾区缓慢降温下来会经历三个两相区。从髙温的单相区
?？？?６５０?ｆ?４５?６４７?Ｖ?Ｖ???６〇〇?．．？＊?．?６４０?■０?３?６?２??ＢＣＣ＊ＯＲＴＨ?（?－?＾??…?Ｉ?６３０?■?辦２?」??现羞?１?Ｉ?６２Ｄ?Ｕ?＇?＇?１?１?＇?ｌ．??０．０００?０?０２０?０．０４０?０?０６０?０?０８０?０．１００?０．１２０?０?１４０?０?１６０?（）?＊）?＾?＾?＾?｜?Ｑ?Ｊ?＾??Ｍｏｌ＊?ｆｒａｃｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｍｂ??广、?铌的质Ｍ：分数／％??图１．３?Ｕ－Ｎｂ合金富铀端平衡相图Ｉ７，１！??通常情况下，铌含量分布均匀且结构单一的相能兼顾较好的力学性能与抗腐蚀性能，??因高温下Ｎｂ元素在铀基体中几乎无限固溶，且其属于置换固溶类型，室温下Ｎｂ元素??在铀中的扩散速率极慢，故采用淬火的方式能得到成分均匀的过固溶相。??在实际运用中，铀铌合金的材料组织大部分是通过淬火来得到的过固溶状态亚稳相??ａ＇（正交）或ｃｔ＂（单斜），它们是由不同Ｎｂ含量的铀铌合金从高温ｙ相淬火至室温生成的。??常见的铀铌合金亚稳相的结构与成分范围见表１．１和图１．１下端所描述。??表１．１不同铌含量的铀铌合金经水淬后呈现的亚稳相结构??铌元素的成分范围?￣￣?＂７７１?７￣Ｔ??０？４．２?４．２?？６．９?６．９？８＿９??（ｗｔ％Ｎｂ）???亚稳相名称?ａ，?ａ＂?ｙ°??相结构?正交?单斜?四方??由上节所提到过的，亚稳状态对材料性能的影响是不可避免的，即便在室温下铌元??素的扩散速率极为缓慢，可淬火获得的铀铌合金因其铌组分处于过饱和状态，相结构也??处于热力学亚稳
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸态U-5.5Nb合金中的胞状分解[J]. 陈冬,邓鸿章,唐清富,王震宏,苏斌,张新建,蒙大桥. 中国有色金属学报. 2018(08)
[2]一种亚共析铀铌合金的凝固特点及显微偏析[J]. 陈波,赵秀娟,刘奎,陈世俊,王震宏. 稀有金属材料与工程. 2018(02)
[3]Cu-20Ni-20Mn合金连续/不连续时效析出及其相互作用研究[J]. 谢伟滨,王强松,解国良,刘冬梅,米绪军,高学成. 稀有金属材料与工程. 2017(12)
[4]热处理对铀铌合金变形局域化的影响[J]. 石洁,王小英,赵雅文,巫祥超. 稀有金属材料与工程. 2014(11)
[5]温度对U-2.5%Nb合金力学性能的影响[J]. 邱志聪,张鹏程,郎定木,何立峰. 稀有金属材料与工程. 2012(08)
[6]热处理对U-Mo/Nb互扩散行为的影响[J]. 庞晓轩,尹昌耕,陈建刚,孙长龙,刘云明,孙旭东,刘婷婷. 核动力工程. 2009(05)
[7]冷旋压-热处理对亚共析铀铌合金显微组织的影响[J]. 张新建,汪小琳,罗超,周南强. 稀有金属材料与工程. 2009(08)
[8]时效处理对亚共析U-Nb合金显微组织的影响[J]. 王小英,杨建雄,郎定木,姜桂芬. 稀有金属材料与工程. 2008(08)
[9]铀铌合金中夹杂物研究[J]. 蒋春丽,杨建雄,肖红,陆雷. 稀有金属材料与工程. 2008(01)
[10]贝氏体相变简介[J]. 徐祖耀. 热处理. 2006(02)
博士论文
[1]时效对U-5.8wt.%Nb合金结构和力学性能的影响研究[D]. 张延志.中国工程物理研究院 2015
[2]U-2.5wt%Nb合金的氧化动力学与环境气氛腐蚀对力学性能的影响研究[D]. 杨江荣.中国工程物理研究院 2007
硕士论文
[1]U-5Nb合金的制备、凝固过程与力学性能[D]. 陈利民.四川大学 2006
本文编号：3387477
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｕ－Ｎｂ合金物相稳定性与维氏硬度随Ｎｂ含量的变化关系Ｗ??
?Ｕ－２Ｎｂ合金等温相变动力学研宄???在室温条件下，对铀铌合金的相结构的影响除了铌含量外，还与热处理的过程密切??相关，图１．２所示，从图中可以较为直观的体现出冷却速率大小会使得同一成分的铀铌??合金生成不同类的相结构。这就表明，不同的热处理工艺，能调节固定成分铀铌合金的??相组分与结构，从而体现出不同的力学性能。??８００????７５０?■?１?Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ??＾?Ｑｕｅｎｃｈ??Ｕ?７００?－：?Ｒａｔｅ??？?６００??｜?５００?■??Ｈ?／?６．２＊？Ｎｂ??４５０?＇：?Ｂａｎｄｅｄ??４００???Ｉ?‘…叫????０．０１?Ｉ?１００?１００００??Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｒａｔｃ（Ｋ／ｓ）??图１．２四种不同组分Ｕ－Ｎｂ合金的连续冷却转变（ＣＣＴ）曲线Ｍ??在铀铌合金的生产和处理过程中，熔炼与浇注温度，热变形温度范围、热处理类型??等工艺参数需依据相图来制定。??目前，对于铀铌合金体系的主要研究集中在低铌含量的Ｕ－２Ｎｂ？Ｕ－６Ｎｂ等相近成分??的合金上（质量分数，下同），在此主要展现富铀端的热力学平衡相图［７］。??从Ｕ－Ｎｂ合金平衡相图１．３中可以看出，Ｎｂ元素能够与高温状态下ＢＣＣ结构的ｙ－Ｕ??完全互溶，在高温区呈现的状态为连续固溶体（丫－ＢＣＣ）。该体系中固溶体分为两种不同浓??度的固溶体一一ｙｉ相（最大Ｎｂ含量为６．２％）和爿２相（最大Ｎｂ含量达５０％），不存在中间??化合物⑴。而在单析反应温度线（６４７。〇以下为两相组织（ｃｔ－正交＋７－ＢＣＣ）。??以Ｕ－２Ｎｂ合金为例：从单相）＾区缓慢降温下来会经历三个两相区。从髙温的单相区
?？？?６５０?ｆ?４５?６４７?Ｖ?Ｖ???６〇〇?．．？＊?．?６４０?■０?３?６?２??ＢＣＣ＊ＯＲＴＨ?（?－?＾??…?Ｉ?６３０?■?辦２?」??现羞?１?Ｉ?６２Ｄ?Ｕ?＇?＇?１?１?＇?ｌ．??０．０００?０?０２０?０．０４０?０?０６０?０?０８０?０．１００?０．１２０?０?１４０?０?１６０?（）?＊）?＾?＾?＾?｜?Ｑ?Ｊ?＾??Ｍｏｌ＊?ｆｒａｃｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｍｂ??广、?铌的质Ｍ：分数／％??图１．３?Ｕ－Ｎｂ合金富铀端平衡相图Ｉ７，１！??通常情况下，铌含量分布均匀且结构单一的相能兼顾较好的力学性能与抗腐蚀性能，??因高温下Ｎｂ元素在铀基体中几乎无限固溶，且其属于置换固溶类型，室温下Ｎｂ元素??在铀中的扩散速率极慢，故采用淬火的方式能得到成分均匀的过固溶相。??在实际运用中，铀铌合金的材料组织大部分是通过淬火来得到的过固溶状态亚稳相??ａ＇（正交）或ｃｔ＂（单斜），它们是由不同Ｎｂ含量的铀铌合金从高温ｙ相淬火至室温生成的。??常见的铀铌合金亚稳相的结构与成分范围见表１．１和图１．１下端所描述。??表１．１不同铌含量的铀铌合金经水淬后呈现的亚稳相结构??铌元素的成分范围?￣￣?＂７７１?７￣Ｔ??０？４．２?４．２?？６．９?６．９？８＿９??（ｗｔ％Ｎｂ）???亚稳相名称?ａ，?ａ＂?ｙ°??相结构?正交?单斜?四方??由上节所提到过的，亚稳状态对材料性能的影响是不可避免的，即便在室温下铌元??素的扩散速率极为缓慢，可淬火获得的铀铌合金因其铌组分处于过饱和状态，相结构也??处于热力学亚稳
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸态U-5.5Nb合金中的胞状分解[J]. 陈冬,邓鸿章,唐清富,王震宏,苏斌,张新建,蒙大桥. 中国有色金属学报. 2018(08)
[2]一种亚共析铀铌合金的凝固特点及显微偏析[J]. 陈波,赵秀娟,刘奎,陈世俊,王震宏. 稀有金属材料与工程. 2018(02)
[3]Cu-20Ni-20Mn合金连续/不连续时效析出及其相互作用研究[J]. 谢伟滨,王强松,解国良,刘冬梅,米绪军,高学成. 稀有金属材料与工程. 2017(12)
[4]热处理对铀铌合金变形局域化的影响[J]. 石洁,王小英,赵雅文,巫祥超. 稀有金属材料与工程. 2014(11)
[5]温度对U-2.5%Nb合金力学性能的影响[J]. 邱志聪,张鹏程,郎定木,何立峰. 稀有金属材料与工程. 2012(08)
[6]热处理对U-Mo/Nb互扩散行为的影响[J]. 庞晓轩,尹昌耕,陈建刚,孙长龙,刘云明,孙旭东,刘婷婷. 核动力工程. 2009(05)
[7]冷旋压-热处理对亚共析铀铌合金显微组织的影响[J]. 张新建,汪小琳,罗超,周南强. 稀有金属材料与工程. 2009(08)
[8]时效处理对亚共析U-Nb合金显微组织的影响[J]. 王小英,杨建雄,郎定木,姜桂芬. 稀有金属材料与工程. 2008(08)
[9]铀铌合金中夹杂物研究[J]. 蒋春丽,杨建雄,肖红,陆雷. 稀有金属材料与工程. 2008(01)
[10]贝氏体相变简介[J]. 徐祖耀. 热处理. 2006(02)
博士论文
[1]时效对U-5.8wt.%Nb合金结构和力学性能的影响研究[D]. 张延志.中国工程物理研究院 2015
[2]U-2.5wt%Nb合金的氧化动力学与环境气氛腐蚀对力学性能的影响研究[D]. 杨江荣.中国工程物理研究院 2007
硕士论文
[1]U-5Nb合金的制备、凝固过程与力学性能[D]. 陈利民.四川大学 2006
本文编号：3387477
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