Pb—B金属基屏蔽材料的微观组织与拉伸性能研究

陈帅 王洋喆 郑云丰 尚维国 赵伟 孙昊

摘 要：本文主要对不同成分的Pb-B金属基屏蔽材料的微观组织与拉伸性能进行研究，并对组织和断口形貌进行分析，了解其断裂机理。结果表明：随着Mg含量增加，试样晶粒发生明顯的细化，分布于晶界的粗大树枝晶向细小枝晶转变；试样的拉伸强度和延伸率随着Mg含量的增加而增加，当Mg含量达到60%～65%，材料的拉伸强度和延伸率基本保持不变，试样最佳强度达到125MPa，延伸率达到0.68%；从断口形貌分析来看，材料断口形貌均呈现脆性断裂特征，随着Mg含量增加，材料断裂机制从沿晶断裂向解理断裂转变。

关键词：屏蔽材料；微观组织；拉伸性能；组织细化；脆性断裂

中图分类号：TB30 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）17-0145-03

Study on Microstructure and Tensile Properties of Pb-B

Metal base Shielding Material

CHEN Shuai WANG Yangzhe ZHENG Yunfeng SHANG Weiguo ZHAO Wei SUN Hao

Abstract： In this paper， the microstructure and tensile properties of Pb-B metal based shielding materials with different components were studied， and the microstructure and fracture morphology were analyzed to understand the fracture mechanism. The results showed that with the increase of Mg content， the grain size of the sample was obviously refined， the coarse dendrite in the grain boundary was changed to the fine dendrite. The tensile strengthened and elongation of the sample increased with the increase of the content of Mg. When the content of Mg reached 60% ～65%， the tensile strengthed and extension rate of the material remain unchanged， and the best strength of the specimen was strong. The degree of elongation reached to 125MPa and the elongation reached 0.68%. From the analysis of fracture morphology， the fracture morphology of the material showed brittle fracture characteristics. As the content of Mg increased， the fracture mechanism of the material changed from intergranular fracture to cleavage fracture.

Keywords： shielding material；microstructure；tensile properties； grain refinement；brittle fracture

核能资源以其诸多优点得到广泛关注。而核反应堆运行、核燃料循环和核设施退役等环节中产生的核废料有强放射性[1]。传统、单一的屏蔽材料已经不能满足诸如移动式反应堆和可携带辐射源等的防护要求，现有的屏蔽材料主要存在屏蔽效果不理想、重量大、体积大、屏蔽结构复杂和力学性能较差等缺点[2-5]。为提高材料屏蔽性能的同时实现屏蔽设施的简化和轻量化，国内外开展了大量的研究，研制出多种复合屏蔽材料，主要包括混凝土、聚乙烯基类、聚合物基类、陶瓷类和金属氢化物等。兼具屏蔽功能和力学承载能力的一体化屏蔽材料，对开发核能综合利用有重大经济价值。

Pb-B金属基屏蔽材料是一种初步具备结构/功能一体化的复合材料。由于该屏蔽材料中存在大量硬脆的低熔点金属间化合物，导致其塑性加工成形能力较差，严重阻碍其在核堆及相关领域的应用。为了探究成分对Pb-B金属基屏蔽材料组织和力学性能的影响，本文对不同成分的Pb-B金属基屏蔽材料的微观组织和拉伸性能进行研究。

1 实验材料及方法

本实验原料采用纯镁（99.9%）、纯铅（99%）和含硼中间合金。根据镁含量分为1#、2#、3#、4#试样，镁含量分别为50%、55%、60%和65%，含硼中间合金含量不变，余量为铅。Pb-B合金成分如表1所示。利用中频炉进行熔炼，并在熔炼过程中采用熔盐[6，7]（含MgCl2 45%、KCl 40%、NaCl 10%、MgO 5%）覆盖保护。首先将含硼中间合金放入石墨坩埚，将中频阻炉升温至820℃，待其熔融后加入纯镁，待全部熔化后，进行机械搅拌，并保温10min后加入纯铅，待全部熔化后，搅拌并保温，静置一段时间。采用内径为15mm的模具浇铸成型，经机械加工制成拉伸试样，并利用扫描电镜和拉伸实验分析研究其组织形貌、断口形貌和拉伸性能。

2 结果与讨论

2.1 合金微观组织

图1为不同成分试样SEM微观形貌。图中的试样组织属于铸态枝晶组织，由α-Mg基体和分布于晶界与基体的连续或半连续的Mg2Pb和少量含B相组成。图1（a）和图1（b）中，试样组织由粗大的α-Mg晶粒和分布于晶界树枝状的Mg2Pb相组成；图1（c）和1（d）中，α-Mg晶粒细小，晶界上分布着白色网状的Mg2Pb相。通过分析图1可知，随着Mg含量增加，Pb含量减少，分布于晶界的粗大树枝晶向细小枝晶转变，使得晶界由厚逐渐变薄，而且当Mg含量到达60%时，晶界呈白色网状晶分布，而且粒发生明显的细化。

2.2 拉伸性能

表2和图2给出了不同成分试样拉伸性能。由表2和图2可知，随着Mg含量增加，Pb含量减少，材料的拉伸强度和伸长率不断上升，拉伸强度从73MPa增加到125MPa，伸长率从0.37%增加到0.68%。当试样Mg含量增加到60%时，材料的拉伸强度达到125MPa，Mg含量继续增加，材料的拉伸强度整体上变化不大。

从微观组织上分析，1#和2#试样晶粒组织粗大，晶界较厚，分布在晶界上粗大的树枝状Mg2Pb相属于硬脆相，使得试样拉伸强度和伸长率较低。随着Mg含量增加，硬脆的Mg2Pb相逐渐减少，使得试样拉伸强度提高。3#和4#试样晶粒组织细小，晶界上分布着细小的Mg2Pb相，试样拉伸强度较高，随着Mg含量继续增加，晶粒组织变化不大，试样拉伸强度基本不变。

通过分析表2和图2可以得出，在该成分范围内，试样的拉伸强度和延伸率随着Mg含量的增加而增加，当Mg含量达到60%，晶粒组织发生明显细化，使得试样强度最大，达到125MPa，延伸率达到0.68%。

图3为不同成分试样断口SEM图片。试样延伸率较低，断口形貌均呈现脆性断裂特征。从图3（a）和（b）中可以看到明显的晶界撕裂棱。这主要由于该试样在晶界处存在较厚的Mg2Pb相，使试样发生晶界脆断，试样的断裂机制为沿晶断裂。从图3（c）和（d）中可以看到解理台阶，解理面上分布着大量斑状和针状Mg2Pb相。3#和4#试样断裂机制为解理断裂。

通过分析图3可以得出，试样断口形貌均呈现脆性断裂特征，随着Mg含量增加，试样断裂机制从沿晶断裂向解理断裂转变。

3 结论

①在该成分范围内，随着Mg含量增加，试样晶粒发生明显的细化，分布于晶界的粗大树枝晶向细小枝晶转变。试样组织由原来粗大的α-Mg晶粒和树枝状的Mg2Pb相向细小α-Mg晶粒和白色网状Mg2Pb相转变。

②在该成分范围内，试样的拉伸强度和延伸率随着Mg含量的增加而增加，当Mg含量达到60%～65%，材料的拉伸强度和延伸率基本保持不变，试样最佳强度达到125MPa，延伸率达到0.68%。

③试样延伸率较低，断口形貌均呈现脆性断裂特征。1#和2#试样晶界处存在较厚的Mg2Pb相，使试样发生晶界脆断，断裂机制为沿晶断裂。3#和4#试样组织细小，断裂机制为解理断裂。

参考文献：

[1]章法强，杨建伦，李正宏，等.14MeV中子照相中散射中子对成像影响的MonteCarlo模拟[J].物理学报，2007（6）：3577.

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[3]何建洪.Pb-B金属基屏蔽材料高温变形行为研究及数值模拟[D].昆明：昆明理工大学，2012.

[4]马涛，刘宇艳，刘少柱，等.防辐射材料的研究进展[J].高分子通報，2012（9）：81-86.

[5]陈博，姜志鹏，罗青松，等.核辐射屏蔽材料的研究进展[J].西部皮革，2016（20）：23-24.

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