单斜结构铀铌合金的低温时效和变形机制研究

Uranium and its alloys are used in various applications due to their high density and nuclear properties. The U-Nb alloys (10~16 at.% Nb) with simple monoclinic structure have excellent corrosion resistance and special mechanical property. The performances of monoclinic U-Nb alloy change with aging, even at room temperature. For example, the increasing of strength and decreasing of ductibility will present in monoclinic U-Nb alloy during aging at low-temperature (< 250℃). Therefore, it is very important to understand the low-temperature aging mechanism. However, the low-temperature aging mechanism is yet unclear, and the mechanism of deformation also needs more studies to understand further. In order to reveal the effect of low-temperature aging on microstructure of monoclinic U-Nb alloy, as well as to understand the low-temperature aging mechanism, the U-13 at.% Nb alloy will be investigated during aging and deformation using X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and in situ tensile test in present proposal. Simultaneously, the structures and energies of various phases will be evaluated based on the first-principles calculations. The present work will be useful to understand the low-temperature aging mechanism and the deformation behavior of monoclinic U-Nb alloy, and is also significant to guide the design of heat treatment and make the lifetime prediction of U-Nb alloy.

单斜结构的铀铌合金（铌含量10~16 at.%）由于具有优秀的抗腐蚀性和综合机械性能而有重要的应用，但其结构和性能对贮存温度和时间敏感，老化效应明显。遗憾的是，目前对该合金低温时效机制的认识还不清楚，形变机制也还没有得到很好的理解。针对这两个基础的科学问题，本项目拟利用X射线衍射（XRD）、球差校正透射电镜（TEM）等技术，结合原位温度场和力场加载装置，系统地开展U-13 at.% Nb合金低温时效和拉伸变形过程中微结构演化的研究，力图从微观尺度上分析和理解合金的低温时效和形变行为；利用第一性原理方法，计算铀铌合金多种物相结构的热力学数据，理解合金时效和变形过程中的相结构演化。本项目研究，不仅能够进一步深入理解单斜结构铀铌合金的物理特性，还对材料的热处理工艺具有重要的指导意义，同时也是建立材料的老化模型、评估材料性能和服役寿命的基础。

金属铀在国防和能源中有重要应用，但化学性质活泼，易腐蚀；延展性差，不利于加工。当铀中添加一定量的Nb时，通过快速淬火能够获得一种被称为相的单斜结构马氏体组织，此合金具有优秀的抗腐蚀性和延展性。但单斜结构铀铌合金随时间的增加会发生明显的低温时效现象。虽然研究者对此开展了大量的研究，但目前对其低温时效机理还不明确，存在争议。此外，该合金还有一些独特的变形特性也受到关注，但目前对其变形细节仍然缺乏足够的证据和理解。.本项目利用XRD、金相、力学拉伸、DIC、TEM、SEM等多种分析技术和加载装置，对单斜结构合金的低温时效和拉伸变形开展了较为系统的实验研究。研究了低温时效对合金微观结构的影响，拉伸变形过程中合金的晶格和马氏体演化，温度和应力对合金结构和变形行为的影响规律，以及合金的形状记忆效应和低温时效的影响。.根据实验结果，提出了单斜结构铀铌合金低温时效的相变机制，认为低温时效过程中孪晶界面附近的发生了原子重排和/或微区α'' → γ0相变，从而增加了孪晶变形的阻力，导致第一屈服强度随低温时效而增加。获得了合金晶格随外加应力的响应规律，发现不同方向对外加应力响应存在强烈的各向异性，其中（131）晶面对外加应力非常敏感，在孪晶变形的初始阶段起着主导作用。获得了低温时效相变对合金拉伸变形行为的影响，发现外加应力诱导γ0相逆转变为相在塑性变形初始阶段处于主导作用，表明γ0相对第一屈服有重要影响，进一步说明了低温时效的强化机制。.本项目研究结果不但有助于准确理解合金低温时效机制，也为合金的热处理和老化研究提供了方向，对深入认识铀铌合金的物理-力学性能和形变微观机制、推进材料老化评估等具有重要意义。目前，本项目部分成果已初步得到应用，今后还可能在铀铌合金的性能预测、寿命评估和工艺改进等领域中得到进一步应用。