鋯及其合金組織和機(jī)械性能的高溫高壓調(diào)控.pdf

1、Zr及其合金作為廣泛應(yīng)用于核工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的重要材料，具有優(yōu)異的物理化學(xué)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸增多，以應(yīng)對更為苛刻的應(yīng)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(xué)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(qiáng)機(jī)制以及相應(yīng)的形變行為，為進(jìn)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(qiáng)韌性純 Zr金屬塊體，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率分別達(dá)到~616 MPa、~734 MPa和14.9％，與粗晶Zr相比強(qiáng)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率分別達(dá)到455.5 MPa、495.2 MPa和36.2%

3、，較粗晶Ti塊體相比強(qiáng)度提升了53%。強(qiáng)度的提升源于高溫高壓處理后細(xì)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(kuò)散，從而起到細(xì)化α相、促進(jìn)細(xì)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(jìn)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(xué)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(xué)性能較好的TZ-30合金塊體，其抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率達(dá)到1387 MPa和7.9%，微結(jié)構(gòu)分析表明材料強(qiáng)度提升源于所形成的細(xì)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(jìn)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(rèn)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(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生的α″→α′相轉(zhuǎn)變使應(yīng)力-應(yīng)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(xiàn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)化作用源于其化學(xué)鍵中更加合理的電子局域構(gòu)型，導(dǎo)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