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鋯位于元素周期表的ⅣB族，在862℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由低溫時的密集六方結(jié)構(gòu)α相轉(zhuǎn)變成高溫時的體心結(jié)構(gòu)β相。

鋯的熱中子吸收截面積只有0.18x10^-28m²，在300-400℃的高溫高壓水蒸氣中有很好的耐腐蝕性能，在核電站的堆內(nèi)有相當好的抗中子輻照性能，鋯合金還有適中的力學性能，主要用于燃料的包殼材料、壓力管、活性區(qū)支撐部件的核燃料芯體等，鋯合金是核電站中不可缺少的材料，被譽為“原子時代的第一金屬”。

工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的鋯合金有兩個系列：鋯錫系和鋯鈮系，常見核電用鋯合金牌號及名義成分如表1所示。

目前，相變點的測定方法主要有：

（1）膨脹法；

（2）X射線衍射儀法；

（3）熱分析儀法；

（4）電阻法；

（5）金相法。

金相法測量相變點已經(jīng)廣泛使用于鈦合金的生產(chǎn)過程中，其原理是高溫β相淬火后生成針狀馬氏體，在相變點附近淬火，然后觀察組織變化，確定合金相變溫度范圍。嘗試用金相法測試相變溫度T_α+β→β，為建立鋯合金金相法測試相變溫度奠定基礎(chǔ)。

試驗原料

試驗用料為鋯錫系的典型鋯合金Zr4和鋯鈮系的新合金N36進行試驗，它們的化學成分如表2、原始組織形貌如圖1和圖2。由于N36的原始組織識別不便，所以將材料熱處理調(diào)制為圖3所示等軸α加共析轉(zhuǎn)變組織。

圖1 Zr4合金原始組織

圖2 N36擠壓管坯原始組織

圖3 N36熱處理后組織

試驗方法

1 試樣的熱處理

試驗結(jié)果

分析與討論

由鋯-錫系相圖可知：鋯錫合金在1590℃發(fā)生共晶反應(yīng)：由液態(tài)生成含錫21%的β相和Zr₅Sn₃化合物；在1325℃發(fā)生包析反應(yīng)：β相和Zr₅Sn₃形成Zr₄Sn；在980℃，Sn為9%左右，又發(fā)生包析反應(yīng)：β相和Zr₄Sn形成α-Zr。

Zr4合金錫含量在1.2%~1.7%，從β相區(qū)爐冷或空冷，生成的組織為單一的α相；從β相區(qū)淬火會發(fā)生切變型馬氏體轉(zhuǎn)變，在經(jīng)α相時效處理和一系列加工再結(jié)晶熱處理，可使Zr₄Sn相質(zhì)點呈彌散分布析出，這種組織形態(tài)使材料的機械性能得到很大改善。

因此，Zr4合金的常見組織形態(tài)為等軸的α相加析出的強化的Zr₄Sn相如圖1。

鋯-鈮系相圖在590至600℃，Nb含量為0.6%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，βZrαZr+βNb。

鋯鈮系合金采用淬火時效熱處理，時效后組織為α加彌散分布的βNb質(zhì)點如圖2；合金加熱到共析溫度上爐冷則形成初生α加（αZr+βNb）共析體如圖3。

從圖4(a)中可以看出在830℃淬火的樣品組織為等軸α加高溫β相轉(zhuǎn)變的馬氏體,隨著溫度的升高,高溫轉(zhuǎn)變的β相越來越多,馬氏體相含量變多,α相越來越少，見圖4(b)（c），Zr4在980℃以上全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，見圖4(d)。

N36在830℃淬火的組織為等軸α加高溫β相轉(zhuǎn)變的馬氏體見圖5(a)，在900℃點以上全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體圖5(c)，由于鋯合金T_α+β→β相變點溫度高，相變點上加熱組織會異常長大，為了保證熱處理組織不過熱，相變溫度取α相未完全轉(zhuǎn)變和完全轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間的下限值，所以Zr4的相變溫度測試結(jié)果為970℃，N36相變溫度為890℃。

鋯合金和鈦合金一樣，隨著溫度的升高，合金中的β相的含量越來越多，達到某一相變溫度T_α+β→β后，全變轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相組織，在該溫度下保溫一定時間后快速淬火，可以得到?jīng)]有α相針狀馬氏體，通過觀察淬火試樣的金相組織，就可以判斷相變溫度T_α+β→β。

從圖4和圖5還可以看出：，Zr4合金從α含量20%減少到0%，需要升高60℃，N36合金從α含量35%減少到0%，需要升高70℃，對于鈦合金α含量30%減少到0%一般只需要升高30-40℃，同樣組織量的變化，鋯合金比鈦合金的加熱溫度區(qū)間要大，需要熱處理的試樣數(shù)量大，檢驗周期長，為了提高檢驗效率，在保證生產(chǎn)工藝對相變溫度的精度要求（±10℃）下，合理的熱處理加熱溫度間隔選擇為10℃。

結(jié)論

1.鋯合金的相變溫度可以通過金相法測定。

2.對于鋯合金相變溫度的測定，其合理的熱處理溫度間隔為10℃。

3.鋯合金相變溫度取α相未完全轉(zhuǎn)變和完全轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的下限值，試驗測得Zr4鋯合金的相變溫度T_α+β→β為970℃，N36鋯合金的T_α+β→β為890℃。