【摘要】：本論文以一種新型Zr-1.0Cr-0.4Fe(wt.%)合金為研究對象,綜合采用X射線衍射(XRD)、電子通道襯度(ECC)、電子背散射衍射(EBSD)和透射電子顯微(TEM)等分析技術,系統(tǒng)研究了Zr-1.0Cr-0.4Fe合金馬氏體相變組織特征,塊狀相變晶體學、形核-長大及變體選擇機制。此外,本文還結合第一性原理模擬研究了合金元素對Zr-1.0Cr-0.4Fe-(0.4Mo)合金淬火組織的影響規(guī)律以及合金元素在Zr Cr2 Laves中的分配行為及晶格占位。得到的主要結論如下:Zr-1.0Cr-0.4Fe合金β相液氮淬火組織全部為α相,無殘留β相。高溫β相按照Burgers關系轉變得到12種α馬氏體變體,該12種α變體并非隨機分布,而是擇優(yōu)形成了四種三變體團簇并呈三角形貌分布,三變體之間的取向關系為60°/(27)1120(29),其擇優(yōu)形成機制是通過變體之間的自協(xié)作來協(xié)調(diào)相變過程中的形狀應變。Zr-1.0Cr-0.4Fe合金β相液氮淬火后,在原β晶界處形成大量的αm塊狀晶粒。相變過程中β母相與αm塊狀相之間符合嚴格的Burgers關系,其形核-長大過程遵循取向形核和非取向長大機制,該特殊的形核-長大機制使得塊狀晶粒與母相之間呈交叉分布特征。塊狀相變過程中存在明顯的變體選擇現(xiàn)象,不同塊狀變體在形核與長大階段都存在擇優(yōu)選擇過程,其中形核階段的選擇機制為臨界晶核激活能,即對于所有12種塊狀變體,能夠沿β相晶界形核的變體通常需要其與非Burgers母相偏離Burgers關系角度盡可能小,以保證其具有較低的臨界晶核激活能。塊狀晶核的擇優(yōu)長大機制主要由相界面移動速率決定。Mo和Bi元素對Zr-1.0Cr-0.4Fe-(0.4Mo)合金的淬火組織產(chǎn)生重要的影響。液氮淬火條件下,Mo元素能夠有效細化馬氏體板條,而Bi元素對板條寬度的影響不明顯。水冷淬火條件下,隨Mo元素含量的逐漸增加(0→0.6 wt.%),Zr-1.0Cr-0.4Fe-x Mo合金的相組成變化趨勢為:α→α+β+ω→β+ω(少量)→β。Bi元素能夠促進合金中α相的析出,抑制β相的殘留,但是對ω相影響并不明顯�；趯嶒灱袄碚撚嬎惚砻鱉o元素作為一種β相穩(wěn)定元素,能夠強烈提高β相的穩(wěn)定性;而Bi元素為α相穩(wěn)定元素,能夠促進α相的形成。合金元素除了對鋯合金淬火組織產(chǎn)生重要的影響,還會對析出相產(chǎn)生重要的作用。因此,本論文采用TEM技術并結合第一性原理模擬,進一步研究了Fe、Mo和Bi元素在Zr Cr2 Laves相中的分配行為和晶格占位。STEM-EDS分析顯示具有相同初始含量的Fe、Mo和Bi元素在Zr Cr2 Laves相中的分布趨勢為:Fe㧐Mo㧐Bi,而通過第一性原理計算得到的Fe、Mo和Bi在Zr Cr2 Laves相中的平衡摻雜濃度具有相同的趨勢。晶格占位分析顯示Fe元素占據(jù)Cr晶格位置的傾向性最強,而Mo和Bi元素占據(jù)Cr晶格位置的傾向性較弱。電子結構分析顯示原子之間的雜化效應以及贗能隙效應是引起合金元素不同分配行為和晶格占位的本質原因。
【圖文】：

圖 1.1 (a) 壓水堆壓力容器內(nèi)部結構示意圖，(b) 壓水堆燃料組件示意圖Fig. 1.1 Schematic diagram of (a) pressure vessel and (b) fuel assembly for PWR1.1.1 鋯的基本性質鋯，化學符號 Zr，位于化學元素周期表中 IV B 族，是過渡族金屬。鋯的原子序數(shù)為 40，平均相對原子質量為 91.22，原子半徑為 1.59 ，密度為 6.49kg/m3，熔點約為 1852 2°C，沸點約為 4377°C。在室溫下，鋯通常具有密排六方結構(Hexagonal close-packed, HCP)，稱為 α-Zr，其晶格常數(shù)為 a=0.323nm，c=0.515nm，軸比 c/a =1.593。α-Zr 通常在約 865°C 時發(fā)生同素異構轉變，形成體心立方晶體結構(Body centered cubic, BCC)的 β-Zr，其晶格常數(shù)為 a=0.355nm。在 β→α 相變時，β 母相的{110}晶面平行于 α 相的{0001}面，而 β 母相的 111 晶向平行于 α 相的 1120 晶向，即 {1 10 } {000 1 } P 和 111 11 20 P ，該晶體學關系被稱為Burgers 取向關系[7,8]。鋯合金作為一種重要的軍事戰(zhàn)略材料，具有良好的核性能，被譽為“原子時代的第一金屬”。鋯的熱中子吸收截面很小，為 0.185b (1b=1 10-28m2)，表 1.1 列

圖 1.2 α 與 β 兩相間的 Burgers 取向關系示意圖[31]Schematic representation of the Burgers orientation relationship between α an氏體相變的影響因素率 相過冷至一定溫度時，鋯合金開始發(fā)生馬氏體轉變，，此溫度期的研究者認為，對于 Zr-2.5Nb 和 Zr-3Nb 合金，隨著冷卻速逐漸降低[22,23]，而這與廣泛被接受的“馬氏體轉變開始溫度不隨觀點相悖。隨后，Slattery[45]以 Zr-2Cr-0.16 Fe 合金為例對此進：當冷卻速率較低（低于 400°C/s）時，β→α 相變?yōu)閿U散控制的，其微觀組織與 U-Cr 合金中的貝氏體組織較為相似；當冷卻速700°C/s）時，會在 705°C 左右出現(xiàn)一個不受冷卻速率影響的轉氏體轉變開始溫度 Ms；而當冷卻速率介于 400°C/s 和 1700°C 左右也會出現(xiàn)一個轉變平臺，對應于一種介于平衡相變和馬氏程。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.414

【參考文獻】

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本文編號：2615377