鈮的基本性質(zhì)
鈮在熔煉鑄錠和添加其他元素形成合金時(shí),以及深加工過(guò)程中的擠壓、鍛造、軋制、沖壓成型、表面防護(hù)、以及焊接技術(shù)與鈮及鈮合金材料的物理性質(zhì),化學(xué)性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)有著相應(yīng)的密切關(guān)系。
1、鈮的物理性質(zhì)
鈮是元素周期表第V族副族元素,符號(hào)Nb,原子序數(shù)41,高熔點(diǎn)金屬之一,鈮的熔點(diǎn)2469±10℃,沸點(diǎn)4840℃,歸類于難熔金屬。鈮本身呈鋼灰色,質(zhì)硬同時(shí)具有延展性,鈮的密度8.66g/cm3,原子半徑0.145nm。金屬材料沖壓成型在是外力作用下,利用壓力軋機(jī)、旋壓機(jī)或其他設(shè)備對(duì)板材施加壓力,使材料發(fā)生塑性變形,以獲得不同形狀和尺寸零件的一種金屬塑性加工方法,涉及到材料的晶型。鈮具有體心立方晶型,結(jié)構(gòu)類型為A2,有48個(gè)滑移系,并且延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)很低,小于150℃,塑性變形能力優(yōu)良,很容易生產(chǎn)成各種尺寸和形狀的產(chǎn)品。以鈮板材為例,鈮箔材厚度最薄可以軋制到0.01mm,并且0.1mm的鈮帶材,可以利用模具沖壓成直徑2mm的杯狀,被應(yīng)用與LED光源的陰極材料。
鈮作為高熔點(diǎn)的難熔金屬材料,鈮及鈮合金常常被應(yīng)用在高溫條件下,并且應(yīng)用溫度經(jīng)常在1000℃以上,因此鈮在高溫下的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)對(duì)鈮材料在實(shí)際應(yīng)用中有很大的影響。鈮的熱導(dǎo)率和熱脹系數(shù)分別如表1-1、表1-2所示。從圖1.1中看出隨著溫度升高,鈮的熱導(dǎo)率幾乎成正比例增加。鈮的熱膨脹系數(shù)隨著溫度變化可以分為兩段,在800℃以上,熱膨脹系數(shù)突然增加,并且隨著溫度升高逐漸增大。
2、鈮的化學(xué)性質(zhì)
鈮是非常穩(wěn)定的金屬,與鉭的化學(xué)性質(zhì)十分接近。真空條件或者經(jīng)過(guò)涂層保護(hù)下,鈮具有良好的高溫性能,但在大氣環(huán)境中,它的高溫性能受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。鈮被廣泛應(yīng)用的航空、航天、原子能工業(yè)等領(lǐng)域,對(duì)材料在大氣中使用的溫度要求超過(guò)了1050℃甚至達(dá)到1800"C,這對(duì)鈮及鈮合金的抗氧化性提出很高的要求。在溫度低于200℃的情況下,鈮不會(huì)受到各種氣體的影響,但是當(dāng)溫度在200℃左右時(shí),鈮就開(kāi)始慢慢氧化,這時(shí)鈮與氧反應(yīng),在表面形成一層保護(hù)性氧化膜,當(dāng)溫度達(dá)到550℃時(shí)氧化反應(yīng)加快生成Nb2O5白色粉末。鈮與氧反應(yīng)一般會(huì)生成三種穩(wěn)定的氧化物Nb2O5、NbO2和NbO。鈮在250℃時(shí)開(kāi)始吸收氫元素,生成間隙固溶體,使其脆化,塑性變差。間隙元素碳、氮、氫、氧對(duì)鈮的性影響十分明顯,他們含量過(guò)高,鈮的強(qiáng)度會(huì)迅速增加,塑性卻迅速下降。
在較低溫度下,鈮與氧反應(yīng)使其表層氧化膜厚度增加,形成保護(hù)性氧化膜,接著氧化速度減慢,其反應(yīng)速度降低,鈮這種復(fù)雜的氧化過(guò)程與它氧化產(chǎn)物的多晶體系轉(zhuǎn)變過(guò)程有關(guān),鈮在低溫下各個(gè)不同溫度的空氣中的氧化狀態(tài)如表1-3所示。表1-3中列出了鈮在400℃附近,保護(hù)性氧化膜逐漸形成顯微氣泡并且轉(zhuǎn)變成非保護(hù)性氧化膜;當(dāng)溫度高于500℃氧化速度迅速提高,氧化成正比例直線關(guān)系,如圖1.1所示。
鈮的高溫耐酸腐蝕性僅次于鉭,常溫下鈮在許多無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)酸、礦物酸及其水溶液中十分穩(wěn)定,但是抗堿性差,氫氟酸、氫氟酸加硝酸的混合酸能夠侵蝕。鈮在各種化學(xué)介質(zhì)中的抗腐性能如表1-4所示。
3、鈮的力學(xué)性能
鈮的力學(xué)性能是鈮在外力作用下所顯示的彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的性能,是鈮材料沖壓成型加工最令人關(guān)心的指標(biāo)。反應(yīng)鈮板材沖裁性能的特征值有:屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度極限、硬度、延伸率、斷面收縮率、加工硬化指數(shù)、彈性模量等。它可以歸納為以下幾類參數(shù):①塑性參數(shù),包括伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、愛(ài)力克辛值等;②變形抗力參數(shù),它是材料在外力作用時(shí)抑制開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形的能力,主要參數(shù)有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度;③屈服強(qiáng)度參數(shù),它是材料開(kāi)始塑性形變時(shí)所需應(yīng)力;④彈性模量參數(shù),它是構(gòu)件剛性的表征,剛性越大,拉伸件彈性變形越?。孩萦捕葏?shù),它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。
鈮在室溫下的泊松比為0.38,再結(jié)晶熱處理后鈮板彈性模量在不同溫度下如表1-5所示,鈮的硬度隨溫度變化如表1-6所示。
4、鈮的可加工性
鈮在不同狀態(tài)下(如鑄態(tài)、加工態(tài)、退火態(tài)、燒結(jié)態(tài)等)有不同的微觀組織,因而其力學(xué)性能差異顯著。比如鈮板材在室溫下,冷加工態(tài)的抗拉強(qiáng)度在550~689MPa,延伸率5%~15%;進(jìn)行熱處理后,退火態(tài)的抗拉強(qiáng)度為310~379MPa,延伸率15%~40%,由于力學(xué)性能在熱處理前后的變化很大,材料的可加工性能必然相差很大。在檢驗(yàn)板材沖壓成型性能的三種實(shí)驗(yàn)方法中,金屬學(xué)實(shí)驗(yàn)室其中之一,材料的結(jié)晶方位,晶粒度是重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在反應(yīng)整修性能的材料特征值方面,材料的組織性能是主要考慮的一個(gè)方面。
通常情況下三種實(shí)驗(yàn)方法可以獲取材料的熱變性參數(shù),以此可以評(píng)價(jià)材料的加工可能性。
1)高溫拉伸實(shí)驗(yàn),高溫拉伸試驗(yàn)很容易完成,并且得到材料在不同溫度下的強(qiáng)度和延性(延伸率和斷面收縮率)。拉伸試驗(yàn)中很難控制應(yīng)變率,出現(xiàn)縮頸后樣品為不均勻形狀,限制了要達(dá)到的應(yīng)變量,導(dǎo)致斷裂前的應(yīng)變量的不確定性,因此拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估可加工性受到限制。
2)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),扭轉(zhuǎn)中的變形為純切變,在大應(yīng)變時(shí)都無(wú)縮頸問(wèn)題,應(yīng)變率直接與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)容易控制,并且沒(méi)有摩擦貢獻(xiàn)。扭轉(zhuǎn)過(guò)程中,特別是大應(yīng)變時(shí),材料會(huì)有過(guò)度的再取向,這與塑性加工過(guò)程是不符的,因此扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估材料可加工性也受限制。
3)熱壓縮試驗(yàn)中如果使用特定潤(rùn)滑可是均勻變形保持到大應(yīng)變,壓縮應(yīng)力狀態(tài)最接近于鍛造、擠壓、軋制過(guò)程的條件。在熱壓縮實(shí)驗(yàn)中采用“不變應(yīng)變率壓縮”可以獲得“有限元”法所需的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)和可深加工性數(shù)據(jù)以建立加工圖,以此熱壓縮實(shí)驗(yàn)在評(píng)價(jià)材料可加工性中被優(yōu)先采用。
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