纳米晶金属块体材料制备技术与力学性能研究进展

主要总结了纳米晶金属块体材料的制备技术与力学性能的研究进展。讨论了各种制备技术的特点与现存的问题,以及纳米晶金属块体材料的强度、塑性、应变速率敏感性、超塑性、变形机制与断裂机制等力学性能问题。

纳米组织Zr-4合金氧化膜中应力应变研究

研究纳米组织与普通粗晶组织Zr-4合金在400℃水腐蚀过程中氧化膜内应力的演变特征。结果表明,纳米基底上形成的单斜相ZrO2(m-ZrO2)和四方相ZrO2(t-ZrO2)的微观应变值,比普通基层上形成的m-ZrO2和t-ZrO2相的微观应变值大,160d时普通基底上t-ZrO2相的σ值约为1200MPa,而在纳米基底上的t-ZrO2相的σ值则为1900MPa,说明表面纳米化处理后Zr-4合金氧化膜内,氧化膜/金属界面(O/M界面)处所受的压应力比普通组织的O/M界面所受的压应力大。纳米化后均匀细小的晶粒尺度以及高的压应力,有利于在O/M界面处形成一层具有保护作用的致密的腐蚀产物膜(t-ZrO2层),从而改善Zr-4合金的抗腐蚀性能。

Zr-4合金的表面晶粒细化研究

通过超声喷丸在Zr-4合金表面获得细晶组织,采用金相显微镜、X射线衍射(XRD)以及场发射扫描电镜(FEG-SEM)观察处理前后锆合金的晶粒组织变化。结果表明,喷丸后样品从表面到芯部依次为:纳米晶(厚度约为60μm)、超细晶(厚度约为160μm)和原始组织。喷丸处理的晶粒细化机制为剧烈塑性变形。主要过程包括:孪晶、位错萌生—位错纠缠—晶粒分割—取向随机化。

纳米结构锆合金组织氧化膜结构演变的XRD分析

利用X射线衍射(XRD)方法研究了纳米结构锆-4合金在400℃水腐蚀过程中氧化膜结构的演变特征,进而考察组织纳米化对锆-4合金抗腐蚀性能的影响。研究结果表明,纳米组织锆-4合金的氧化膜结构演变趋势类似于普通锆-4合金。然而,纳米化处理使合金表层组织向(101)、(102)等低指数面产生了显著的择优取向;纳米面形成的氧化膜中,其ZrO2的晶粒尺寸小于普通粗晶面形成的氧化膜中的ZrO2晶粒尺寸;实验结果还显示,纳米化后锆-4合金组织氧化膜中四方ZrO2向单斜ZrO2转变的速率小于普通组织形成的氧化膜中的转变速率。本文对纳米化处理导致锆-4合金腐蚀动力学过程和结构演变细节的变化进行了初步的分析和讨论。

稀土对Fe-17.5Mn合金阻尼性能的影响

利用倒扭摆仪对比研究了Fe-17.5Mn二元合金和Fe-17.5Mn-0.3Mm(富铈混合稀土)合金的阻尼性能,并借用Olympus显微镜观察分析了合金的微观组织。研究结果表明,在1000℃保温1h后水淬状态下,Fe-17.5Mn-0.3Mm合金的阻尼性能明显优于Fe-17.5Mn二元合金。在微量稀土元素的作用下,Fe-17.5Mn-0.3Mm合金中相对于Fe-17.5Mn二元合金其马氏体数量较多、板条较细薄,板条变薄且单位体积内界面面积增加,使振动的微观阻尼源增多,导致阻尼性能提高。

组织纳米化对锆合金耐腐蚀性能的影响

随着对锆合金核材料使用性能要求的提高,对其耐腐蚀性能也提出了更高的要求。总结了常用包壳锆合金材料的耐腐蚀性能及其耐腐蚀性能的影响规律与作用机制,纳米材料的结构特征、腐蚀性能,以及影响其腐蚀性能的可能因素和影响机制,对锆合金纳米化后的耐腐蚀性影响因素进行了探讨。

纳米组织锆合金氧化过程中ZrO2晶粒生长特性

研究了673K,10.3MPa条件下纳米锆合金氧化膜中ZrO2晶粒尺寸长大规律。结果表明,在纳米结构基底上形成的ZrO2,晶粒尺寸均小于在粗晶基底上所形成的ZrO2晶粒尺寸;在纳米结构基底上形成的ZrO2晶粒长大速率小于在粗晶基底上所形成的ZrO2晶粒长大速率。组织纳米化促进了更小尺寸ZrO2的形成,影响了ZrO2晶粒长大动力学过程。

纳米及超细晶结构锆金属腐蚀速率计算模型

本文在Wagner理论和固体电子理论的基础上,将电导率与电子的平均自由程及晶粒尺寸的关系联系起来,建立了纳米及超细晶结构金属腐蚀速率—晶粒尺寸关系模型,并结合锆金属的性质,模拟计算了不同温度下晶粒尺寸对锆合金腐蚀速率常数的影响,结果表明,与普通晶粒相比,纳米晶粒尺寸下锆Zr的腐蚀速率常数和腐蚀增重,远低于普通晶粒纯Zr的腐蚀速率常数和腐蚀增重,同时,随着纳米晶粒尺寸的减小Zr的腐蚀速率常数也降低,显示晶粒纳米化处理可以改善锆金属的腐蚀性能。

晶粒细化对Zr-4合金均匀腐蚀性能的影响

通过超声喷丸处理在Zr-4合金表面获得细晶组织,400℃高压釜实验表明其耐蚀性能优于原始组织。采用场发射扫描电镜和X射线衍射,观察并计算了细晶组织的晶粒形貌与尺寸分布。采用金相显微镜、原子力显微镜和X射线衍射,分析了不同腐蚀时间的氧化膜形貌和结构的演变。结果表明,喷丸处理在细化晶粒的同时会增加样品表面微观缺陷,从而促进保护性氧化膜的形成,提高Zr-4均匀的耐腐蚀性能。