鋯及其合金組織和機械性能的高溫高壓調(diào)控.pdf

1、Zr及其合金作為廣泛應用于核工業(yè)和化學工業(yè)的重要材料，具有優(yōu)異的物理化學性能，如Zr具有良好的抗輻照性能和中子吸收截面積小，Zr及合金所具有的耐腐蝕性和優(yōu)異抗氧化性能等。隨著科技的迅猛發(fā)展，Zr合金在航空、航天、生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用正逐漸增多，以應對更為苛刻的應用環(huán)境。本文以Zr及其合金為研究對象，探索高溫高壓處理條件對其相變和組織演化以及性能的影響規(guī)律，并系統(tǒng)研究了相組分和顯微結(jié)構(gòu)與力學性能之間的關(guān)系；結(jié)合第一性原理計算方法，探討了鋯金

2、屬ω相的增強機制以及相應的形變行為，為進一步設(shè)計性能優(yōu)異的Zr合金奠定理論基礎(chǔ)。
　　通過合理調(diào)控高溫高壓處理工藝條件，制備出了具有α′馬氏體和高壓ω相的高強韌性純 Zr金屬塊體，其屈服強度、抗拉強度和斷后延伸率分別達到~616 MPa、~734 MPa和14.9％，與粗晶Zr相比強度提升了一倍；制備獲得了具有針狀馬氏體組織的純Ti金屬塊體，其屈服強度、抗拉強度和斷后延伸率分別達到455.5 MPa、495.2 MPa和36.2%

3、，較粗晶Ti塊體相比強度提升了53%。強度的提升源于高溫高壓處理后細小的針狀α′馬氏體和ω相的形成。研究結(jié)果表明高壓能夠顯著抑制原子地擴散，從而起到細化α相、促進細小針狀α′馬氏體和高壓ω相的形成。
　　通過對 Ti-30Zr-5Al-3V(TZ-30)合金進行等壓變溫和β相區(qū)變壓熱處理，研究高溫高壓處理方法對合金結(jié)構(gòu)、微觀組織以及力學性能的影響規(guī)律。實驗結(jié)果證明：在2 GPa壓力和15℃/s降溫速率下，由β相區(qū)“淬火”處理能獲得

4、綜合力學性能較好的TZ-30合金塊體，其抗拉強度和斷后延伸率達到1387 MPa和7.9%，微結(jié)構(gòu)分析表明材料強度提升源于所形成的細小針狀馬氏體中含有大量位錯和層錯。
　　TZ-30合金中α″馬氏體含量隨著處理壓力的升高而增加，高壓抑制 TZ-30中α′馬氏體生成而促進α″馬氏體形成的效果非常顯著，5 GPa高壓和693℃處理后，合金組織全部由α″馬氏體所組成。綜合分析認為TZ-30合金中α″馬氏體是以亞穩(wěn)狀態(tài)留存在樣品中，其穩(wěn)定

5、存在的原因是其內(nèi)部出現(xiàn)的位錯、層錯和孿晶等微結(jié)構(gòu)缺陷的釘扎作用所致。在純α″馬氏體相TZ-30合金拉伸實驗過程中發(fā)現(xiàn)，拉應力誘導產(chǎn)生的α″→α′相轉(zhuǎn)變使應力-應變曲線呈現(xiàn)雙屈服現(xiàn)象，且其楊氏模量也隨著α″馬氏體含量的增多而直線下降，純α″馬氏體相TZ-30合金的楊氏模量僅為34 GPa。基于我們的實驗數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)分析，提出了α″型 Ti(Zr)合金的楊氏模量與合金平均價電子數(shù)呈線性減小的關(guān)系，該結(jié)果為發(fā)展新型低模量醫(yī)用Zr(Ti)合金

6、提供了新思路。
　　通過第一性原理計算方法研究了純Zr材料ω相的變形機制，結(jié)果表明ω-Zr的剪切模量是α-Zr的1.37倍，ω-Zr最弱滑移系為(101-)[0001]，其理想剪切強度為3.25 GPa，是α-Zr最弱滑移系(101-0)[1-21-0]的1.62倍。ω-Zr強化作用源于其化學鍵中更加合理的電子局域構(gòu)型，導致其抵抗彈塑性變形的能力增大。結(jié)合多晶體發(fā)生均勻塑性變形的von Mises判據(jù)，提出了多晶ω-Zr中{101