退火温度对铪棒组织与性能的影响

蔡文博，武 宇,2，姚修楠，赵鸿磊,2，陈 昊，杨 娟，朱 波

(1.西安诺博尔稀贵金属材料股份有限公司，陕西 西安 710065)(2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016) (3.西安汉唐分析检测有限公司，陕西 西安 710065)

金属铪作为钛、锆同族的金属，属于密排六方晶体结构[1，2]，具有机加性能优异、高温耐腐蚀性好、抗氧化性好和吸气能力强等优点[3-5]。铪综合性能优越因此用途广泛，可作为导弹及喷气式发动机中的结构材料；制造喷管、阀门及其他一些耐高温零件[6，7]。铪也可以作为超耐热不锈钢及高熔点材料的合金元素，用于提升其抗蠕变性能、延展性和强度[8，9]。相较于金属铪的其他性能，其核性能非常突出，因此主要用途是作为控制棒材料用于各种堆型[10]。

铪的力学性能受织构、应变速率、温度、化学成分和应力状态等多种因素的影响[11]，其中退火温度是一个重要的指标。除力学性能外，退火温度对其他各项性能也有很大影响。基于上一阶段研究了加工方式对铪棒综合性能的影响[12]，此次实验研究铪棒性能随退火温度的变化规律。根据铪的熔点Tm≈2 227 ℃，推测高纯铪的再结晶温度为556～780 ℃。实验选取440、600、740、900、1 040 ℃ 5个温度点，研究退火温度对铪的金相组织、拉伸性能、高温断口形貌的影响，探索各项性能的演变规律，探寻制备反应堆用优良性能铪棒的退火制度。

1 实 验

实验原料为电子束熔炼制备的φ160 mm高纯铪锭，铪的质量分数大于99.95%。将铪锭在1 200 ℃下保温1.5 h，经过锻造得到φ60 mm铪棒坯，随后将φ60 mm铪棒坯在800 ℃下保温1.5 h，采用横列式热轧机经过8道次热轧至φ18 mm，然后采用旋锻机多道次冷旋锻得到φ13.3 mm的铪棒。将得到的铪棒样品平均分为5份，分别在440、600、740、900、1 040 ℃下保温1 h进行真空退火处理。最终得到加工态(R)及5种温度退火处理后的样品。

采用GX51倒置金相显微镜进行金相组织观察。采用INSTRON 1185万能材料试验机进行室温及高温力学性能测试。采用JSM-6460扫描电镜进行高温拉伸断口形貌观察。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图1、图2为不同退火温度处理后铪棒的纵向与横向显微组织。从图1a、图2a可以看到，加工态试样的晶粒被破碎压扁，呈纤维状，晶界模糊。经过440 ℃退火后(图1b、图2b)，组织形态相较加工态未发生明显变化，属于回复阶段，因此在退火温度不大于440 ℃时，可以对铪棒进行消应力处理，不影响其组织。经过600 ℃退火后，晶粒已经完全再结晶，但未完全形成等轴晶，而经过740 ℃退火后，纵、横向的加工态纤维状组织均完全消失，形成新的无畸变等轴晶，晶粒度为10级。600 ℃和740 ℃退火后，组织中仍然存在孪晶组织，但数量很少。900 ℃和1 040 ℃退火后，可以看到晶粒明显长大，900 ℃退火后晶粒度为6级，1 040 ℃退火后晶粒度为3.5级。由于晶粒粗大，可以明显观察到大量孪晶组织。郑刚等人[13]研究中发现，孪晶组织在经过600～760 ℃退火后逐渐消失，与本实验基本相符。但随着退火温度继续升高，孪晶组织又再次大量出现。

图1 不同退火温度处理后铪棒的纵向显微组织Fig.1 Longitudinal microstructures of hafnium bars after annealing at different temperatures： (a)R state; (b)440 ℃;(c)600 ℃;(d)740 ℃; (e)900 ℃; (f)1 040 ℃

图2 不同退火温度处理后铪棒的横向显微组织Fig.2 Transverse microstructures of hafnium bars after annealing at different temperatures： (a)R state; (b)440 ℃;(c)600 ℃;(d)740 ℃; (e)900 ℃; (f)1 040 ℃

一般认为退火孪晶是晶粒在生长过程中形成的，当晶粒通过晶界移动生长时，原子层在晶界角处的堆垛顺序偶然堆错，会出现一共格的孪晶界并随之在晶界角处形成退火孪晶[14]。从图2e、f可以清楚的看到2种数量多且明显的退火孪晶，一种是整体贯穿晶粒的退火孪晶，另一种是未完全贯穿晶粒的不完整退火孪晶。还有一种是数量较少的形态为穿过2个晶粒，但未贯穿各自晶粒的退火孪晶。总体上，各种形态的退火孪晶都与晶界相关联，从一定程度上证明了退火孪晶的形成主要与晶界有关。

2.2 拉伸性能

不同退火温度处理后铪棒的室温拉伸性能如图3所示。从图3可以看到，440 ℃退火后，铪棒的抗拉强度从642 MPa降低至595 MPa，屈服强度从591 MPa降低至452 MPa，延伸率从10.5%上升至16%。在此退火温度下，加工过程中产生的残余应力得到了消除，抗拉强度、屈服强度降低，塑性提高，并且可以看到在回复阶段屈服强度降速要明显快于抗拉强度的降速。

图3 不同退火温度处理后铪棒的室温拉伸性能Fig.3 Room temperature tensile properties of hafnium bars after annealing at different temperatures

一般对于金属材料而言，抗拉强度与晶粒尺寸的平方根成反比，因此随着晶粒的长大，材料的抗拉强度减小。实际结果也是随着温度的升高，晶粒在逐步长大，抗拉强度逐渐降低，与理论预测一致。对于屈强比而言，加工态的为0.92，440 ℃退火态为0.76，600 ℃退火态为0.66，740 ℃退火态为0.48，900 ℃退火态为0.41，1 040 ℃退火态为0.37。根据Hall-Petch关系(δ=δo+kyd-1/2，d表示平均晶粒尺寸，δo、ky分别表示单晶体的屈服强度和屈服常数)[15]，屈服强度随晶粒尺寸的增大而降低，然而随着退火温度的升高，屈强比在不断的降低，此现象说明屈服强度和抗拉强度的降速是不一致的。以740 ℃为界限，低于740 ℃屈服强度的降速明显要高于抗拉强度降速，而高于740 ℃时，屈服强度的降速则比抗拉强度降速要慢。

对于屈强比的变化特征，分析认为，随着退火温度的升高，晶粒的尺寸逐步变大，退火孪晶的密度也随之变大，退火孪晶组织从个体变为群体，所以这种组织对材料性能的影响从忽略不计变为明显影响。从表象来看，退火孪晶对屈服强度的影响更大。

图4为不同退火温度处理后铪棒的高温拉伸性能。从图4可以看到，320 ℃高温拉伸性能与室温拉伸变化趋势类似，依然存在屈服强度降速与抗拉强度降速相比先快后慢的现象，屈服强度总体降速比抗拉强度要高。

图4 不同退火温度处理后铪棒的320 ℃高温拉伸性能Fig.4 High temperature tensile properties at 320 ℃ of hafnium bars after annealing at different temperatures

从铪棒退火后的拉伸性能来看，若用作控制棒材料，适宜的退火温度在600～740 ℃之间。

2.3 高温拉伸断口形貌

解理裂纹萌生机理有Stroh位错塞积理论、Cottrell 位错反应理论及Smith理论。解理台阶的形成可用螺位错与解理面交截来解释。不同高度的两个解理面的分离有2种形式，第1种是沿次生解理面解理形成台阶，第2种是通过撕裂形成台阶[16]。

经不同温度退火后铪棒的高温拉伸断口形貌见图5。从图5a～c可以看出，退火温度为400、600、740 ℃时，断口皆均匀分布有不同密度的韧窝，伴有明显的延伸线、涟漪。从宏观拉伸试样上看，有明显的颈缩现象，因此在退火温度≤740 ℃时拉伸断裂形式都是韧性断裂。对比740 ℃退火后的断口形貌(图5d)， 900、1 040 ℃时断口上的韧窝和延伸线消失(图5e、f)，断裂面上形成不同高度的解理台阶，并可以看到明显的撕裂棱，表面伴有河流状花样。结合宏观拉伸试样无明显颈缩现象，拉伸试样表面严重起皱，说明断裂前拉伸试样整体发生了塑性变形，但断裂的瞬间为脆性断裂，属于第2种解理面分离形式，即通过撕裂形成台阶。

图5 不同退火温度处理后铪棒的高温拉伸断口形貌Fig.5 High temperature tensile fracture morphologies of hafnium bars after annealing at different temperatures：(a)440 ℃，1 000×;(b)600 ℃，1 000×;(c)740 ℃，1 000×;(d)740 ℃，200×； (e)900 ℃，200×; (f)1 040 ℃，200×

3 结 论

(1)随着退火温度的升高，铪棒组织晶粒逐渐长大，但退火孪晶组织并不会随着温度升高而完全消失，相反，在高温状态时铪棒组织中也容易形成退火孪晶，且大部分形态的退火孪晶的形成都与晶界相关。当退火温度≤440 ℃时，可以对铪棒进行消应力退火，不会引发铪棒组织的变化。

(2)铪棒的抗拉强度、屈服强度随着退火温度的升高逐渐降低，在此过程中，当温度低于740 ℃时，屈服强度比抗拉强度的降速要快，当温度高于740 ℃时，屈服强度比抗拉强度的降速要慢，此现象可能与铪棒中的退火孪晶组织有关。

(3)退火温度≤740 ℃时，铪棒高温拉伸断裂形式均为韧性断裂。退火温度在900 ℃以上时，高温拉伸的断口形成了高度不等的解理台阶，存在明显的撕裂棱，表面伴有河流状花样，断裂瞬间为脆性断裂。