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U-Nb合金因其密度高、力学性能优异以及耐腐蚀性能好,广泛地应用在核工程中。银元素主要用于改善铀的耐腐蚀性能。在高温Y相区时,铀和铌能完全互溶形成具有BCC结构的γ相,从γ相区淬火到室温,控制铀中铌的含量,可获得不同结构的亚稳相(α’、α’、γ0)。当铌含量在3.5-6.5wt.%时,形成具有单斜结构的(α"相,α"相合金具有优异的耐腐蚀性和力学性能,在实际使用中倍受关注。铌和铀的熔点和密度相差很大,冶金过程中需在高温下长时间保温并借助电磁搅拌使铌均匀地溶解在铀中。虽然铀在高温冶金中采用带保护涂层的石墨坩埚,但也很难避免碳杂质元素对铀熔体的污染。冶金中引入的碳杂质元素很容易与铀和铌发生反应生成碳化物夹杂,碳化物夹杂的存在显著影响合金的塑性、韧性等力学性能。本工作深入研究了 U-5.5Nb合金中碳化物夹杂的形成机制,明确主要碳化物夹杂Nb2C形貌演变规律,获得不同碳杂质元素含量对U-5.5Nb合金力学性能的影响规律及机制,探索不同碳化物夹杂在U-5.5Nb合金不同变形阶段产生微孔形核的机制,为U-5.5Nb合金冶金过程中的碳化物夹杂控制以及力学性能提升提供了科学支撑。本研究中采用多种实验手段对组织、相结构以及力学性能进行了分析表征,取得的主要结果如下:(1)采用U-5.5Nb合金中掺杂碳杂质元素的方式研究了碳杂质元素对组织、夹杂物特征的影响,结果表明U-Nb合金中碳元素对夹杂物的形态和基体组织影响较大。当碳元素含量较低时,Nb2C夹杂物呈现多边形,基体组织呈现柱状晶;当碳含量较高时,Nb2C夹杂物充分长大成长条状并发生偏聚形成团聚物,且基体组织由柱状晶向等轴晶转变,晶粒尺寸由未掺杂碳元素时的107μm细化至24μm。(2)采用纳米压痕技术分析了 U-5.5Nb合金中主要碳化物夹杂的力学性能,结果表明Nb2C夹杂物的弹性模量为246.5±23.7 GP,硬度为24.6±3.1 GPa,U(N,C)夹杂物的弹性模量为153.5±3.0GPa,硬度为4.3±0.1 GPa,基体的弹性模量为72.1±3.0GPa,硬度为2.6±0.1 GPa。碳化物夹杂和基体的纳米压痕力学性能分析表明,Nb2C夹杂物的弹性模量和硬度远大于U(N.C)和基体,说明Nb2C夹杂物在基体中作为硬质点存在。碳化物夹杂和基体力学性能之间的差异导致在基体变形至断裂过程中不同的微孔形核机制。(3)U(N,C)和Nb2C夹杂物与基体之间力学性能的差异导致在基体变形过程中有两种不同的微孔形核机制。在U-5.5Nb合金单向拉伸变形过程中,对于U(N,C)夹杂物,由于其强度和硬度与基体接近,在基体变形过程中的应力集中很容易使U(N,C)夹杂物发生破裂,从而导致微孔在U(N,C)夹杂物周围产生;对于Nb2C夹杂物,其硬度和强度远远高于基体,在基体变形过程中Nb2C夹杂物和基体的变形不协调,容易在Nb2C-基体界面发生分离,从而导致微孔形核。理论计算得到了 Nb2C-基体界面强度约为0.9-1.2 GPa。(4)碳杂质元素不改变U-5.5Nb合金的相结构,两种不同碳含量的合金都表现出典型的α"单相结构。碳杂质元素对U-5.5Nb合金的拉伸强度影响不大,但主要影响材料的塑性和韧性。随着碳杂质元素含量的增加,延伸率和夏比冲击韧性显著降低。碳化物夹杂对塑性和韧性的影响主要为基体材料变形至断裂过程中微孔在夹杂物周围形核,随着碳杂质元素含量的增加,夹杂物体积分数增加,微孔形核点增加,微孔数量增加更容易在基体变形过程中发生连接产生微裂纹,微裂纹的扩张导致材料提前断裂,使得塑性和韧性降低。