锆材的材料特性及焊接工艺性能
17页1、1、活性金属和难溶金属 活性金属是在高温下对氧和其他间隙元素有很高亲和力的金属如锆、锆;难溶金属是与铬相同或超过铬的熔点的金属如铌、钽、钨、钼、铬、钒、铼等。2、锆的基本概念及简介 锆来自于阿拉伯语单词 zargun,为金色,用来形容锆宝石(ZrSiO4)。在1789年由M.H.Klaproth(克拉普罗特)在德国发现锆,1824 年分离出非纯锆,1916年李国钦博士创立华昌公司,在1924年制出具有延展性的锆金属并于1947 年以试验规模生产出工业用锆,1949 年采用镁热置还原法制备锆金属,1956 年建立锆厂,六十年代早期, 锆和锆开始用于防腐。1965 年锆合金用于核工业,1970 年代第一次在醋酸生产中大规模使用锆。 2.1、锆的主要性质及用途 锆(Zr)是第九种最普通元素,在地壳中含量丰富,占 0.025%,其地质含量超过Zn、Pb、Ni,甚至超过 Cu、Sn,储量为铜储量的 2.5 倍。熔点 1882, 沸点为 4377,密度为 6.506g/cm3(20)。根据锆的性能特点,锆主要用于核反应堆、化工设备和作为合金成分三方面。锆的热中子吸收截面低(0.18 靶),铪热中子
2、截面高(105 靶);锆的原子序为 4a,原子量 91.224,如此,锆被广泛的用于: (1)锆是一种热中质穿透材料; 在中子辐射下,锆的强度韧性不变,热中子的吸收截面小,是良好的反应堆结构材料; (2)优异的耐蚀材料锆对很多腐蚀介质均有很强的抗力,优良的抗酸、碱和液体金属腐蚀能力,使锆成为当今热交换器、汽提塔、干燥塔、反应器阀门、管道系统和核应用的优先选择材料。 (3)除氢除气材料,在低温条件下就开始吸氢。 (4)作为钢、铝、镁、铜、钼、锆、铌等的最好的合金元素;锆作为合金添加剂主要用于铝镁合金用于控制晶粒尺寸和微观结构,用于钢中主要用来脱氧。 2.2、锆的分类 锆可分为: (1)核工业用锆,限制铪含量小于万分之几,都需要热处理;(2)非核工业用锆,铪含量可达 4%左右;3、锆的基本属性 锆是一种活性金属,对杂质元素的存在十分敏感,微量的杂质就可能导致脆化。对环境气体中的氧、氮、氢等气体都有很强的亲和力。高温下, 锆容易很容易被气体污染发生氧化反应。在室温下就能与空气里的氧气反应,形成一层氧化物保护膜。这层保护膜给了锆及合金极强的防腐蚀能力。 锆及锆合金在加热 400温度以下时,能被
3、空气中的氧、氢、氮等所污染,可分别产生脆性化合物,严重影响接头性能,对塑性的影响更为敏感。一般情况下,为保持锆及合金等塑韧性,尽量限制锆中的氧含量降到最低。空气中 200开始生成 ZrO3,在大约 550以上,与空气中的氧反应生成多孔的脆性氧化膜,在 700以上,锆能吸收氧而使材料严重脆化。在高温下锆能与上述气体反应,氢在 300开始吸氢,在 4600锆能吸收氮。 锆合金在低温下具有良好的延展性,较高的强度,氧元素具有间隙强化作用,并且在低温下锆合金没有低温脆化转变。4、锆材的性能的化学成分及物理性能 4.1、锆材的化学成分 锆材的化学成分和室温力学性能如表1 锆及合金的弹性模量随着温度升高而迅速减小,比重比钢的小。表中显示室温温度下纵向和横向性能的平均数值,屈服强度和延伸率是用 0.2%永久变形测定的,具有弹塑性变形。并且某些性能受有向性的影响。这些性能包括热膨胀、屈服强度、极限抗拉强度、延伸率、缺口韧性和弯曲塑性都随方向不同而有不同程度的变化。延展性随温度提高而有明显增加。表1化学成分及室温力学性能 4.2、锆的物理性能 表2锆及合金的物理性能 弹性模量低既焊接应力小;熔点高需要更
4、高的焊接热输入,线膨胀系数小焊接变形小,热导率高焊件散热好,比热容低意味着焊件吸收热量小,表面张力大表明锆适于全位置焊接。5、锆材的力学性能及许用应力值 5.1、锆材的常温力学性能 锆具有较好的常温力学性能。一般锆作为压力容器用材料,其延伸率不得小于 16%,一般容器用材料的延伸率最小不能小于 14%,一般要求延伸率大于等于 20%以上比较好,一般金属材料的弯曲试验时的弯轴直径为4t,锆的标准定为 10t,锆材的常温力学性能见表 1。 5.2、锆材的高温低温性能 1) 蠕变强度:在应力下,时间与应变依赖关系的蠕变,一般用恒定负 载下给定时间的塑性变形的百分数表示, 2)应力破断 在恒温恒负载条件下测定金属寿命的方法,一般用于短时间内产生破损的承载合金。 3)低温性能,锆无低温延性向脆性的转变 锆合金即使在低温下也有良好的延展性,以及与其他工程相反的强度。氧元素除了是氧化膜不可缺少的组成成分之外,还是锆合金填补结构空隙, 增加其强度的合金元素。锆合金在低温下没有从可塑到脆化的倾向。 4)锆和锆合金中的疲劳,疲劳极限 常温下,锆合金在轧制方向上的横向上,具有较高的极限抗拉强度, 这是由于密
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