Pb—B金屬基屏蔽材料的微觀組織與拉伸性能研究

陳帥 王洋喆 鄭云豐 尚維國 趙偉 孫昊

摘 要：本文主要對不同成分的Pb-B金屬基屏蔽材料的微觀組織與拉伸性能進行研究，并對組織和斷口形貌進行分析，了解其斷裂機理。結(jié)果表明：隨著Mg含量增加，試樣晶粒發(fā)生明顯的細化，分布于晶界的粗大樹枝晶向細小枝晶轉(zhuǎn)變；試樣的拉伸強度和延伸率隨著Mg含量的增加而增加，當Mg含量達到60%～65%，材料的拉伸強度和延伸率基本保持不變，試樣最佳強度達到125MPa，延伸率達到0.68%；從斷口形貌分析來看，材料斷口形貌均呈現(xiàn)脆性斷裂特征，隨著Mg含量增加，材料斷裂機制從沿晶斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：屏蔽材料；微觀組織；拉伸性能；組織細化；脆性斷裂

中圖分類號：TB30 文獻標識碼：A 文章編號：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

核能資源以其諸多優(yōu)點得到廣泛關(guān)注。而核反應堆運行、核燃料循環(huán)和核設(shè)施退役等環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的核廢料有強放射性[1]。傳統(tǒng)、單一的屏蔽材料已經(jīng)不能滿足諸如移動式反應堆和可攜帶輻射源等的防護要求，現(xiàn)有的屏蔽材料主要存在屏蔽效果不理想、重量大、體積大、屏蔽結(jié)構(gòu)復雜和力學性能較差等缺點[2-5]。為提高材料屏蔽性能的同時實現(xiàn)屏蔽設(shè)施的簡化和輕量化，國內(nèi)外開展了大量的研究，研制出多種復合屏蔽材料，主要包括混凝土、聚乙烯基類、聚合物基類、陶瓷類和金屬氫化物等。兼具屏蔽功能和力學承載能力的一體化屏蔽材料，對開發(fā)核能綜合利用有重大經(jīng)濟價值。

Pb-B金屬基屏蔽材料是一種初步具備結(jié)構(gòu)/功能一體化的復合材料。由于該屏蔽材料中存在大量硬脆的低熔點金屬間化合物，導致其塑性加工成形能力較差，嚴重阻礙其在核堆及相關(guān)領(lǐng)域的應用。為了探究成分對Pb-B金屬基屏蔽材料組織和力學性能的影響，本文對不同成分的Pb-B金屬基屏蔽材料的微觀組織和拉伸性能進行研究。

1 實驗材料及方法

本實驗原料采用純鎂（99.9%）、純鉛（99%）和含硼中間合金。根據(jù)鎂含量分為1#、2#、3#、4#試樣，鎂含量分別為50%、55%、60%和65%，含硼中間合金含量不變，余量為鉛。Pb-B合金成分如表1所示。利用中頻爐進行熔煉，并在熔煉過程中采用熔鹽[6，7]（含MgCl2 45%、KCl 40%、NaCl 10%、MgO 5%）覆蓋保護。首先將含硼中間合金放入石墨坩堝，將中頻阻爐升溫至820℃，待其熔融后加入純鎂，待全部熔化后，進行機械攪拌，并保溫10min后加入純鉛，待全部熔化后，攪拌并保溫，靜置一段時間。采用內(nèi)徑為15mm的模具澆鑄成型，經(jīng)機械加工制成拉伸試樣，并利用掃描電鏡和拉伸實驗分析研究其組織形貌、斷口形貌和拉伸性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金微觀組織

圖1為不同成分試樣SEM微觀形貌。圖中的試樣組織屬于鑄態(tài)枝晶組織，由α-Mg基體和分布于晶界與基體的連續(xù)或半連續(xù)的Mg2Pb和少量含B相組成。圖1（a）和圖1（b）中，試樣組織由粗大的α-Mg晶粒和分布于晶界樹枝狀的Mg2Pb相組成；圖1（c）和1（d）中，α-Mg晶粒細小，晶界上分布著白色網(wǎng)狀的Mg2Pb相。通過分析圖1可知，隨著Mg含量增加，Pb含量減少，分布于晶界的粗大樹枝晶向細小枝晶轉(zhuǎn)變，使得晶界由厚逐漸變薄，而且當Mg含量到達60%時，晶界呈白色網(wǎng)狀晶分布，而且粒發(fā)生明顯的細化。

2.2 拉伸性能

表2和圖2給出了不同成分試樣拉伸性能。由表2和圖2可知，隨著Mg含量增加，Pb含量減少，材料的拉伸強度和伸長率不斷上升，拉伸強度從73MPa增加到125MPa，伸長率從0.37%增加到0.68%。當試樣Mg含量增加到60%時，材料的拉伸強度達到125MPa，Mg含量繼續(xù)增加，材料的拉伸強度整體上變化不大。

從微觀組織上分析，1#和2#試樣晶粒組織粗大，晶界較厚，分布在晶界上粗大的樹枝狀Mg2Pb相屬于硬脆相，使得試樣拉伸強度和伸長率較低。隨著Mg含量增加，硬脆的Mg2Pb相逐漸減少，使得試樣拉伸強度提高。3#和4#試樣晶粒組織細小，晶界上分布著細小的Mg2Pb相，試樣拉伸強度較高，隨著Mg含量繼續(xù)增加，晶粒組織變化不大，試樣拉伸強度基本不變。

通過分析表2和圖2可以得出，在該成分范圍內(nèi)，試樣的拉伸強度和延伸率隨著Mg含量的增加而增加，當Mg含量達到60%，晶粒組織發(fā)生明顯細化，使得試樣強度最大，達到125MPa，延伸率達到0.68%。

圖3為不同成分試樣斷口SEM圖片。試樣延伸率較低，斷口形貌均呈現(xiàn)脆性斷裂特征。從圖3（a）和（b）中可以看到明顯的晶界撕裂棱。這主要由于該試樣在晶界處存在較厚的Mg2Pb相，使試樣發(fā)生晶界脆斷，試樣的斷裂機制為沿晶斷裂。從圖3（c）和（d）中可以看到解理臺階，解理面上分布著大量斑狀和針狀Mg2Pb相。3#和4#試樣斷裂機制為解理斷裂。

通過分析圖3可以得出，試樣斷口形貌均呈現(xiàn)脆性斷裂特征，隨著Mg含量增加，試樣斷裂機制從沿晶斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

①在該成分范圍內(nèi)，隨著Mg含量增加，試樣晶粒發(fā)生明顯的細化，分布于晶界的粗大樹枝晶向細小枝晶轉(zhuǎn)變。試樣組織由原來粗大的α-Mg晶粒和樹枝狀的Mg2Pb相向細小α-Mg晶粒和白色網(wǎng)狀Mg2Pb相轉(zhuǎn)變。

②在該成分范圍內(nèi)，試樣的拉伸強度和延伸率隨著Mg含量的增加而增加，當Mg含量達到60%～65%，材料的拉伸強度和延伸率基本保持不變，試樣最佳強度達到125MPa，延伸率達到0.68%。

③試樣延伸率較低，斷口形貌均呈現(xiàn)脆性斷裂特征。1#和2#試樣晶界處存在較厚的Mg2Pb相，使試樣發(fā)生晶界脆斷，斷裂機制為沿晶斷裂。3#和4#試樣組織細小，斷裂機制為解理斷裂。

參考文獻：

[1]章法強，楊建倫，李正宏，等.14MeV中子照相中散射中子對成像影響的MonteCarlo模擬[J].物理學報，2007（6）：3577.

[2] Electric Power Research Institute. Handbook of Neutron Absorber Materials for Spent Nuclear Fuel Transportation and Storage Applications-2009 Edition[R]. American： EPRI， 2009.

[3]何建洪.Pb-B金屬基屏蔽材料高溫變形行為研究及數(shù)值模擬[D].昆明：昆明理工大學，2012.

[4]馬濤，劉宇艷，劉少柱，等.防輻射材料的研究進展[J].高分子通報，2012（9）：81-86.

[5]陳博，姜志鵬，羅青松，等.核輻射屏蔽材料的研究進展[J].西部皮革，2016（20）：23-24.

[6]楊文鋒，劉穎，楊林，等.核輻射屏蔽材料的研究進展[J]. 材料導報，2006（6）：82-85.

[7]李奎江，鄒樹梁，唐德文.核輻射屏蔽材料的研究進展及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（8）：178.