时效对U-5.8wt.%Nb合金结构和力学性能的影响研究
发布时间：2020-08-07 12:04
【摘要】：金属铀在核工业中有着重要应用,但其化学性质活泼,容易遭受腐蚀；且延展性差,不利于加工。通过添加少量的Nb能够明显改善金属铀的性能,当Nb的添加量在4.2～6.9wt.%时,通过高温快速淬火(20。C/s)能够获得一种被称为Ⅸ”相的单斜结构的马氏体组织,此时合金具有良好的抗腐蚀性和延展性。另外,该合金具还有一些独特的力学性能,如：低屈服强度和高塑性、双屈服和形状记忆效应,这也使得变形行为成为该合金最受关注的研究方向之一,但目前对其变形细节仍然缺乏足够的理解。另外,室温下该合金处于亚稳定状态,随着贮存时间的增加会发生老化,虽然研究者对此方面开展了大量的研究,但目前对该结构铀铌合金的低温时效机理的认识还不明确,存在较大的争议。本论文针对这两个科学问题,利用XRD、TEM、SEM.金相、力学拉伸等多种分析技术,对U-5.8wt.%Nb合金的时效和变形开展了较为系统的实验研究。淬火态U-5.8.wt.%Nb合金为马氏体组织结构,内部有大量的孪晶,孪晶的移动和变形是合金对外加应力响应的重要特征。实验中,利用X射线衍射和力学加载装置较为系统地原位研究了铀铌合金宏观变形过程中的微观晶格演化规律,对孪晶重取向等现象进行了分析。实验结果证实了U-5.8wt.%Nb合金弹性变形和滑移变形之间的孪生变形特征,并获得了从外力加载到试样断裂过程中各衍射晶面对外加应变的响应规律。在孪晶变形阶段,不同晶面方向对外加应力的响应具有显著的各向异性特征。拉伸过程中夹杂物演化的原位观察结果显示,孪生变形期间部分夹杂物发生断裂,断口逐渐长大并发展为孔洞,可能对合金的断裂行为有重要影响。提出了α”相铀铌合金低温时效的相变机制,并讨论了相转变的晶体学路径和影响因素,研究结果对深入理解合金的低温时效强化和贮存老化现象有重要意义。实验结果表明,低温时效过程中,α”相U-5.8wt.%Nb合金会发生α”→γ°相变。利用晶体学唯相理论对结果进行分析,提出α”(-111)晶面和γ°(111)晶面的原子堆垛之间的相互转换是两相转变的主要晶体学路径,使转变体现出明显的晶面选择性。系统考查了高温对α”相铀铌合金结构和力学性能的影响。实验结果显示,合金300-C时效发生相变,但元素分布未发现变化；400℃-600℃时效后,铀铌合金元素分布变化显著,相结构分解为低Nb含量的α-U和高Nb含量的类γ相固溶体。高温时效后,铀铌合金试样拉伸过程中均发生脆性断裂,但断裂机制不同,300℃以解理断裂为主,400℃主要为沿晶断裂,500℃和600℃为准解理断裂。初步考查了晶粒尺寸对铀铌合金结构、性能以及时效的影响。结果显示,晶粒尺寸对淬火态铀铌合金的晶体结构和力学性能没有明显影响,但对合金的低温时效有较大影响,大晶粒试样的低温时效相变速率显著高于小晶粒试样。此外,文中还讨论了低温时效对合金形状记忆效应的影响。本论文工作通过系统的实验研究,获得了U-5.8wt.% Nb合金随外加应力的晶格响应规律,加深了对合金变形规律和机制的认识；提出了α”相铀铌合金低温时效的相变机制,该机制的提出为今后合金的热处理工艺、老化动力学和物理建模等方面的研究工作指出了新的方向并奠定了理论基础。另外,在介观尺度上,发现了合金拉伸变形至断裂过程中夹杂物的演化规律；初步研究了晶粒尺寸和微观应变对合金的相稳定性影响。这些研究能够为合金的制备和热处理工艺提供科学参考。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG166;TG146.8
【图文】：
Ｗ。Ｎｂ能够巧高n猓悖阆嘟峁沟模伲胀耆セ聿煌康闹峄辖鸫映寤牖鹬潦襺D逡逑又可生成多种亚稳定相常见的亚稳定相结构和成分范围见图１．１和表１．２描述。逡逑另外，通过对痒火合金进行不同方式的热处理，还可Ｗ进一步改善合金的力学性能，从逡逑而获得烦期性能的合金材料。逡逑－鲁、＾’－－－’．．．逦Ｌ逦＾邋４００邋－逦Ｙ逡逑５＂＂逦Ｉ逡逑ｉ逦§逦３００邋－化逡逑Ｓ邋ｉ；ｗ．逦＜化仙逦0逦Ｓ逦０逡逑＂．邋．ｎｃ逦Ｉ逦＼邋Ａ逡逑ｗ＂，逦（ｉｒ逦看邋２ＵＵ邋－逦９逡逑ｋ￣￣就车．苗扛邋Ｉ逦＼邋＂Ｗｔ．逡逑５（ＫＩ邋？邋Ｉ逦＊ｒ邋Ｉ邋Ｉ邋＂Ｉ邋＇逦Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋１，１’逦含逦，逡逑ｌ＞邋…？：＂川邋４０逦５１）邋Ｗ？邋■？＂邋Ｗ邋Ｗ邋ＫＨＩ逦－邋１００邋－逦ｈｉ逦？逡逑ＡｉｉＨｉｉｉｃ邋Ｖ逦ｉ—逦ｆ、、逦Ｉ逦Ｙ0逡逑逦：ｌｌ；’邋；逦ＲＴ逦ｇ＂？、、逦’逦逡逑化ｒｌｉｎｃｎｉ邋ＮｋｕｉｓＵｌＷｃ邋Ｐｈａ、Ｌ、逦ｙ＂邋？邋？ｉ逦0逡逑［ＩＩ邋Ｉ逦１０逦１２逦１４逦１６逦１８逦２０逡逑Ｉ…ｗ邋ｍ邋…５０邋４。…：＂…Ｉ）逦Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，邋ｎｔ邋＾邋Ｎｂ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．１邋Ｕ－Ｎｂ合金的（ａ）平衡和（ｂ）非平衡相图１化３９１逡逑室温下，轴辨合金表现的相结构不巧依赖于Ｎｂ含量，还巧热处理过程密切相关，逡逑如冷却速率（见烺１．２）心＂１。不同Ｎｂ含量的轴能合金通过巧火从高温Ｙ相快速冷却到逡逑室温，由于固体状态下Ｎｂ原子异常缓慢的扩散速率，从而形成Ｎｂ原子过饱和的亚稳逡逑巧固溶体
离ａ＂相轴妮合金的强度，而又不会对其延展性脊明显的k幌欤郏ⅲВ玻丁常保В浚В矗梗荩鹪诓牧系墓ゅ义铣逃τ镁哂兄匾庖澹彩橇钛芯空吒行巳さ姆矫妗ｅ义洗樱眨危馓逑档钠胶庀嗤迹ㄍ迹保保┲锌桑卓闯觯椅拢疲危庠冢罩兄挥形⑷醯娜芙忮义隙龋虼舜痈呶虑蚯苫鸬绞椅碌闹嵋辖鸫τ谘俏忍５保危夂课叮鳎簦ジ浇保义现崮莺辖鸨硐殖隽己玫男阅埽梗眨叮鳎簦ィ危忮澹ǎ眨叮危猓┖辖鹗艿焦刈⒏唷＃眨叮危夂辖疱义现校危夂拷咏参龀煞郑嵩冢叮矗罚裕悍⑸参龇纸猓湮善叮危獾牡バ苯峁梗幔啵ㄆ藉义虾庾刺危夂课矗靛澹鳎簦デ扇崭唬危獾奶逋汀⒘⒎浇峁寡荆蚕啵ㄆ胶庾刺危夂课担玻鳎簦ィ╁义献槌傻牧较嘧橹Ｓ捎冢眨危馓逑档墓烫┥⒒品浅；郝庵止参龇纸夂苋菀资艿藉义弦种疲崩淙此俾蚀笥冢玻ǎ裕茫笫保辖鹁湍芡ü蘩┥⒌穆硎咸逑啾溆桑猓悖憬峁梗傧嗲绣义媳湮椅孪拢危庠毓ズ偷囊滴认啵幔ⅰ８米橹峁沟闹崮莺辖鹁哂星慷鹊湾义希ǎ保埃埃玻埃埃停校幔⒀诱剐愿撸ㄑ由炻剩常埃ィ┖统尚涡院茫咕哂行巫醇且湫вΓǎ樱停牛╁义虾徒锨康目垢葱裕簦鳎椤ｅ义嫌捎冢眨叮危夂辖鹁哂杏帕嫉目寡趸葱裕匆话悴皇牵眨叮危夂辖鹩τ玫闹饕义衔侍狻５捎谑椅孪缕洌危庾榉执τ诠ズ
本文编号：2783973
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG166;TG146.8
【图文】：
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本文编号：2783973
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