金属铍的尺寸稳定性机理研究

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金属铍以优异的物理性质在精度要求极高的惯性领域仪表级结构材料中占有重要地位。本文以国产牌号铍材Be-1为研究对象,采用透射电镜微观组织观察与第一性原理模拟计算相结合的方式,研究了铍材中杂质相BeO和Be-Fe相的弹性性质和电子性质,及其对铍材稳定性的影响。使用立式热膨胀仪测试恒温时效和冷热循环条件下的尺寸变化规律,后续通过真空退火热处理改善铍材稳定性。使用动态疲劳试验机测试微蠕变性能,建立铍材的微蠕变本构方程。微观组织观察表明杂质相分布在铍的晶内和晶界,原始铍材组织内部存在稳定的位错结构。第一性原理分析说明杂质相BeO、FeBe5和AlFeBe4均为在铍中稳定存在的脆性相,弹性模量均在300 GPa以上,杂质相与铍基体的热错配以及其在晶界的偏聚影响了铍的微塑性变形。恒温时效和变温幅度分别为80℃、120℃和160℃的冷热循环过程中铍材尺寸均发生收缩,随变温幅度增加铍材收缩量增大,相同时间下铍材恒温时效后尺寸收缩量为1.4×10-5,小于冷热循环后尺寸收缩量1.812×10-5。真空退火热处理去除了铍中的残余应力。随退火温度增加,铍材在交变温度场下尺寸收缩量减增加。真空退火处理对铍材料尺寸变化的影响不显著。铍材在温度60℃、80℃和100℃,载荷60 MPa、80 MPa和100 MPa下的微蠕变曲线表明,温度一定,载荷越大,蠕变总应变越大,稳态蠕变速率越大;载荷一定,温度越高,蠕变总应变越大,稳态蠕变速率越大。金属铍表观应力指数在3左右,微蠕变激活能约38.93 k J/mol,建立了微蠕变本构方程,微蠕变机制在低应力下以位错滑移机制为主,较高应力下位错攀移起主导作用。
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