金属铪的纯度对其显微组织及力学性能的影响研究

摘要

金属铪具有耐高温、中子吸收截面积大、抗腐蚀性优良、吸气能力强以及良好的综合力学性能等诸多优点，相关研究与应用已得到国内外研究者越来越多的关注。作为一种重要的战略性材料，高纯金属铪及其相应的合金和化合物被广泛应用于国民经济与国防建设中，特别是在核工业与现代陶瓷领域。铪的力学性能对其应用起到十分关键的作用，影响铪力学性能的因素有很多，例如化学成分、织构、应变速率、温度等，其中化学成分对其力学性能的影响不容忽视，因此了解并掌握非金属杂质元素(O、N、C、H等)对金属铪显微组织及力学性能的影响具有重要意义。 本文结合国内外有关非金属杂质元素对高纯金属组织及性能影响的研究，采用第一性原理模拟计算与基础实验相结合的方法，探究非金属杂质原子在金属铪中的稳定占位及其含量对金属铪显微组织及力学性能的影响规律。 首先通过密度泛函理论(DFT)实现的第一性原理计算模拟了O、N、C在金属铪中的占位情况，确定了O、N、C原子在铪中的稳定间隙位置均为八面体OC位及六面体HE位。随着O、N、C含量的增加，金属铪的轴比c/a略有上升，预示高的非金属杂质含量可能会削弱铪的延展性;态密度分析表明非金属杂质含量升高时赝隙宽度明显宽于纯铪，表明键类型向共价趋势演化;选取O掺杂体系计算了不同O含量体系的弹性常数和弹性模量等参数，随非金属O含量的增加，体积模量B/剪切模量G值降低，即高氧含量使金属铪的塑性变差。 采用高真空非自耗电弧熔炼技术制备了具有不同非金属杂质含量的金属铪，其中各试样中O含量在50-360ppm之间，N含量分布在30-630ppm之间，C含量在30-100ppm之间，而H含量则均维持在10ppm左右。分别制备不同杂质含量的铸态、轧制态及退火态试样，利用光学显微镜、显微硬度、室温压缩实验、室温拉伸实验及SEM等表征手段，研究非金属杂质元素对金属铪显微结构与力学性能的影响规律。 实验结果表明，随着非金属杂质元素含量的增加，铸态及变形态组织并未观察到明显变化，而退火态试样的晶粒尺寸有一定程度的减小，但相比细晶强化来说，固溶强化起主要作用，因此各试样对应的硬度、压缩屈服强度、拉伸屈服强度、抗拉强度均有明显提升，而延伸率有所降低，这主要归因于固溶于金属铪中的非金属杂质原子引起了点阵畸变并形成柯氏气团，这对位错有钉扎作用，阻碍了位错的运动，从而使材料的强度与硬度得到大幅度提升。同时从压缩及拉伸断口来看，压缩断口基本为河流花样，属于典型的解理断裂;而拉伸断口多呈解理面，且断面中有明显的撕裂痕，随着杂质含量的升高，断面中的撕裂棱逐渐增多，当氧当量超过280ppm时，退火态试样的断裂方式由准解理断裂转变为完全的脆性断裂，这进一步表明非金属杂质含量越高，金属铪的塑韧性越差。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题背景及意义

1．2金属铪的概述

1．2．1金属铪的发展

1．2．2金属铪的应用

1．3金属铪的制备方法

1．3．1电子束熔炼法

1．3．2金属热还原法

1．3．3熔盐电解法

1．3．4碘化热离解法

1．4非金属间隙元素对金属铪组织及性能的影响

1．5非金属元素的占位及浓度对金属及合金性能的影响

1．6非金属间隙元素对金属及合金性能的影响机制

1．6．1 Cottrell气团

1．6．2间隙原子偏聚

1．7金属铪的热处理

1．8课题主要研究内容

第2章实验材料及方法

2．1课题整体方案

2．2 Materials Studio软件模拟

2．3实验材料

2．4试样制备

2．4．1金属铪的熔炼

2．4．2试样的轧制处理

2．4．3试样的热处理

2．5样品分析及测试方法

2．5．1非金属元素成分测试

2．5．2试样相组成分析

2．5．3金相组织观察

2．5．4晶粒尺寸测定

2．5．5硬度测试

2．5．6压缩实验

2．5．7拉伸实验

2．5．8断口形貌观察

2．6本章小结

第3章间隙元素在铪晶胞中的占位及浓度对其力学性能的影响

3．1引言

3．2碳在铪晶胞中的占位及对态密度的影响

3．2．1碳在铪晶胞中的占位情况

3．2．2碳含量对稳定八面体间隙位晶胞参数的影响

3．2．3间隙位及碳含量对铪态密度的影响

3．3氮在铪晶胞中的占位及对态密度的影响

3．3．1氮在铪晶胞中的占位情况

3．3．2氮含量对稳定八面体间隙位晶胞参数的影响

3．3．3间隙位及氮含量对铪态密度的影响

3．4氧在铪晶胞中的占位及对态密度和力学性能的影响

3．4．1氧在铪晶胞中的占位情况

3．4．2氧含量对稳定八面体间隙位晶胞参数的影响

3．4．3间隙位及氧含量对铪态密度的影响

3．4．4氧含量对铪力学性能的影响

3．5本章小结

第4章金属铪的纯度对显微组织及力学性能的影响

4．1引言

4．2非金属元素含量对铸态铪显微组织及力学性能的影响

4．2．1非金属元素含量对铸态铪显微组织的影响

4．2．2非金属元素含量对铸态铪硬度的影响

4．2．3非金属元素含量对铸态铪压缩性能的影响

4．2．4断口形貌观察及断裂机制分析

4．3非金属元素含量对变形态铪显微组织及力学性能的影响

4．3．1非金属元素含量对变形态铪显微组织的影响

4．3．2非金属元素含量对变形态铪硬度的影响

4．3．3非金属元素含量对变形态铪压缩／拉伸性能的影响

4．3．4断口形貌观察及断裂机制分析

4．4本章小结

第5章热处理条件对变形态铪显微组织及力学性能的影响

5．1退火温度对变形态铪显微组织及力学性能的影响

5．1．1退火温度对变形态铪显微组织的影响

5．1．2退火温度对变形态铪硬度的影响

5．1．3退火温度对变形态铪压缩性能的影响

5．2退火时间对变形态铪显微组织及力学性能的影响

5．2．1退火时间对变形态铪显微组织的影响

5．2．2退火时间对变形态铪硬度的影响

5．2．3退火时间对变形态铪压缩性能的影响

5．3非金属元素含量对退火态铪显微组织及力学性能的影响

5．3．1非金属元素含量对退火态金属铪显微组织的影响

5．3．2非金属元素含量对退火态金属铪硬度的影响

5．3．3非金属元素含量对退火态金属铪力学性能的影响

5．3．4拉伸断口分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢