Zr-Ti二元合金的强韧化及其组织演变

发布时间：2017-07-13 16:18

  本文关键词：Zr-Ti二元合金的强韧化及其组织演变

  更多相关文章： 锆钛合金 热变形 微观组织 力学性能 强化机制 纳米孪晶

【摘要】：锆在地壳中的储量丰富,且海绵锆的生产成本接近海绵钛。锆的中子吸收截面小、抗辐照、抗腐蚀,在核工业中具有重要的应用价值。然而,锆合金除了在核工业获得了重要应用外,在其它工业中的应用很少,原因是缺乏有效的强韧化途径和相应的制备技术。以往,空间活动构件主要选用各种类型的合金钢来制造。但合金钢在空间环境中服役存在着密度大(难以轻量化)、膨胀系数大(影响机构精度)、服役寿命不够长等缺点。锆合金由于在核工业大量使用,已证明具有抗空间辐照和原子氧侵蚀的潜质;它的密度低,具有轻量化潜质;膨胀系数低,具有保障空间机构高精度运行的潜质。因此,锆合金是在空间环境中使用非常具有发展潜力的合金体系。虽然锆合金在耐辐照和耐腐蚀性上表现出了优异的性能,但传统的锆合金普遍强度较低,不足以满足作为机构材料的要求,因此需要寻找具有高强韧特性的新锆合金体系。本文以发展新的锆合金空间机构材料体系为目标,以Zr-Ti二元合金为研究对象,系统研究了合金成分与力学性能、相变和组织演化的规律,建立了Zr-Ti二元合金的强韧化机制,找出了具有优异力学性能的Zr-Ti二元合金成分及其制备工艺。锆和钛是同族元素,二者之间能形成连续固溶体,可以在较大的浓度范围内调整合金成分。在本文中,制备了一系列不同成分的Zr-Ti二元合金,研究了不同状态的Zr-Ti二元合金成分与组织和力学性能之间的变化关系。通过对铸态Zr-Ti二元合金的实验结果分析得知,合金的强度随着Ti含量的增加而增加,在Zr-Ti二元合金成分为Zr50Ti50时达到最大值1170MPa。Zr-Ti二元合金中的主要强化机制为固溶强化和组织细化。对Zr-Ti二元合金的热轧变形研究发现,Zr50Ti50是具有最佳力学性能的合金成分。热轧态的Zr50Ti50合金强度为1063MPa,断后延伸率7%。同时在研究中发现,在热轧态Zr50Ti50二元合金中出现了大量的纳米孪晶,提高了合金的塑性变形能力。并据此研究提出了锆合金中的纳米孪晶强化机制,为锆合金的强化提供了一个新的思路,新的手段。利用Gleeble热模拟试验机对Zr50Ti50二元合金的热变形行为进行了在不同变形温度,不同应变速率下的模拟实验。实验得到了Zr50Ti50二元合金在不同热变形条件下的真应力-应变曲线。利用实验得到的热变形流变曲线,计算出Zr50Ti50二元合金的热变形激活能Q=103274.9J/mol,并结合热变形后的组织形貌,科学直观的分析了Zr50Ti50二元合金的热变形机制是以动态回复为主。此外,根据流变曲线的相关数据和动态材料模型等理论,计算并得到了Zr50Ti50二元合金的热变形本构方程以及热加工图。据此可以更好的对Zr50Ti50二元合金的热变形建立模型进行模拟,同时也指出了Zr50Ti50二元合金的最佳热变形条件以及热变形失稳区的存在。Zr50Ti50二元合金的最佳热变形条件是变形温度在830~850°C,应变速率在0.56~1s-1之间在对Zr50Ti50二元合金锻造后组织和性能的研究中发现,魏氏组织会严重影响锻态Zr50Ti50二元合金的性能。通过固溶处理可以有效的消除魏氏组织,明显改善锻态Zr50Ti50二元合金塑性,使合金的断后延伸率达到8%。
【关键词】：锆钛合金 热变形 微观组织 力学性能 强化机制 纳米孪晶
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.414
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 选题背景及意义12-14
• 1.2 锆及锆合金的研究发展14-18
• 1.2.1 锆的研究与发展14-16
• 1.2.2 锆合金的研究与发展16-18
• 1.3 锆合金的制备18-19
• 1.4 锆合金的结构、相变及微观组织特征19-27
• 1.4.1 金属锆的平衡相变19-20
• 1.4.2 合金元素对金属锆的影响20-22
• 1.4.3 锆合金中的非平衡相变22-24
• 1.4.4 锆合金常见的微观组织特征24-27
• 1.5 本文主要研究内容27-28
• 第2章 Zr-Ti二元合金的制备、表征及性能测试方法28-38
• 2.1 新型二元锆合金合金元素的选择28-31
• 2.2 Zr-Ti二元合金锭的制备31-33
• 2.3 Zr-Ti二元合金的热加工工艺方法33-34
• 2.3.1 Zr-Ti二元合金的热轧制工艺33
• 2.3.2 Zr-Ti二元合金的热锻造工艺33-34
• 2.4 Zr-Ti二元合金的热处理设备和方法34
• 2.5 Zr-Ti二元合金的相组成及微观组织观察与分析34-35
• 2.5.1 物相结构分析34
• 2.5.2 相变温度测试34-35
• 2.5.3 光学显微镜（OM）组织观察35
• 2.5.4 SEM和FE-SEM观察及分析35
• 2.5.5 TEM和HRTEM观察及分析35
• 2.6 Zr-Ti二元合金力学性能测试方法35-38
• 2.6.1 室温拉伸力学性能测试35-36
• 2.6.2 热变形模拟测试36
• 2.6.3 硬度测试36
• 2.6.4 热膨胀分析测试36-38
• 第3章 铸态Zr-Ti二元合金力学性能与组织演变38-53
• 3.1 引言38
• 3.2 实验材料与成分38-39
• 3.3 铸态Zr-Ti二元合金力学性能与组织结构39-49
• 3.3.1 铸态Zr-Ti二元合金物相分析39-42
• 3.3.2 铸态Zr-Ti二元合金力学性能42-44
• 3.3.3 铸态Zr-Ti二元合金金相组织观察44-46
• 3.3.4 铸态Zr-Ti二元合金力学性能强化机制分析46-49
• 3.4 热处理对Zr-Ti二元合金相转变的影响49-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第4章 热轧态Zr-Ti二元合金力学性能与组织演变53-82
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验材料与分析方法54-55
• 4.3 Zr-Ti二元合金高温 β 相区的热轧变形55-61
• 4.3.1 Zr-Ti二元合金相变温度测试55-56
• 4.3.2 高温 β 相区变形后的Zr-Ti二元合金物相分析56-57
• 4.3.3 高温 β 相区变形后的Zr-Ti二元合金力学性能57-59
• 4.3.4 高温 β 相区变形后的Zr-Ti二元合金组织观察和分析59-61
• 4.4 Zr-Ti二元合金的双相区热轧变形61-65
• 4.4.1 双相区变形后的Zr-Ti二元合金物相分析62
• 4.4.2 双相区变形后的Zr-Ti二元合金力学性能62-64
• 4.4.3 双相区变形后的Zr-Ti二元合金组织观察和分析64-65
• 4.5 Zr_(50)Ti_(50)二元合金的热轧变形65-77
• 4.5.1 热轧变形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金物相分析66-68
• 4.5.2 热轧变形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金力学性能68-69
• 4.5.3 热轧变形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金金相组织观察和分析69-71
• 4.5.4 热轧变形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金TEM观察和分析71-74
• 4.5.5 热轧变形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金实验结果讨论和分析74-77
• 4.6 退火对热轧态Zr_(50)Ti_(50)合金的组织结构和力学性能影响77-80
• 4.6.1 退火后Zr_(50)Ti_(50)二元合金相结构77-78
• 4.6.2 退火后Zr_(50)Ti_(50)二元合金组织观察78-79
• 4.6.3 退火后Zr_(50)Ti_(50)二元合金力学性能79-80
• 4.7 本章小结80-82
• 第5章 Zr_(50)Ti_(50)合金的锻造及其力学性能与组织演变82-107
• 5.1 引言82-83
• 5.2 实验材料与方法83-84
• 5.3 Zr_(50)Ti_(50)二元合金Gleeble热变形过程中的性能与组织演变84-101
• 5.3.1 热变形后物相分析84-85
• 5.3.2 Zr_(50)Ti_(50)二元合金应力应变曲线分析85-88
• 5.3.3 Zr_(50)Ti_(50)二元合金的本构方程的建立和热变形激活能88-94
• 5.3.4 Zr_(50)Ti_(50)热变形过程中组织演变94-95
• 5.3.5 Zr_(50)Ti_(50)二元合金热加工图95-101
• 5.4 锻造态Zr_(50)Ti_(50)二元合金组织结构和力学性能101-103
• 5.4.1 锻态的Zr_(50)Ti_(50)二元合金物相分析和微观组织101-102
• 5.4.2 锻态的Zr_(50)Ti_(50)二元合金力学性能102-103
• 5.5 热处理对锻造态Zr_(50)Ti_(50)二元合金的组织和力学性能影响103-105
• 5.5.1 热处理后的锻态Zr_(50)Ti_(50)二元合金物相分析和微观组织103-105
• 5.5.2 热处理后的锻态Zr_(50)Ti_(50)二元合金力学性能105
• 5.6 本章小结105-107
• 结论107-109
• 参考文献109-127
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果127-129
• 致谢129-130
• 作者简介130

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：537587