鈮的基本性質(zhì)

鈮在熔煉鑄錠和添加其他元素形成合金時(shí)，以及深加工過程中的擠壓、鍛造、軋制、沖壓成型、表面防護(hù)、以及焊接技術(shù)與鈮及鈮合金材料的物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)有著相應(yīng)的密切關(guān)系。

1、鈮的物理性質(zhì)

鈮是元素周期表第V族副族元素，符號(hào)Nb，原子序數(shù)41，高熔點(diǎn)金屬之一，鈮的熔點(diǎn)2469±10℃，沸點(diǎn)4840℃，歸類于難熔金屬。鈮本身呈鋼灰色，質(zhì)硬同時(shí)具有延展性，鈮的密度8.66g/cm3，原子半徑0.145nm。金屬材料沖壓成型在是外力作用下，利用壓力軋機(jī)、旋壓機(jī)或其他設(shè)備對(duì)板材施加壓力，使材料發(fā)生塑性變形，以獲得不同形狀和尺寸零件的一種金屬塑性加工方法，涉及到材料的晶型。鈮具有體心立方晶型，結(jié)構(gòu)類型為A2，有48個(gè)滑移系，并且延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)很低，小于150℃，塑性變形能力優(yōu)良，很容易生產(chǎn)成各種尺寸和形狀的產(chǎn)品。以鈮板材為例，鈮箔材厚度最薄可以軋制到0.01mm，并且0.1mm的鈮帶材，可以利用模具沖壓成直徑2mm的杯狀，被應(yīng)用與LED光源的陰極材料。

鈮作為高熔點(diǎn)的難熔金屬材料，鈮及鈮合金常常被應(yīng)用在高溫條件下，并且應(yīng)用溫度經(jīng)常在1000℃以上，因此鈮在高溫下的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)對(duì)鈮材料在實(shí)際應(yīng)用中有很大的影響。鈮的熱導(dǎo)率和熱脹系數(shù)分別如表1-1、表1-2所示。從圖1.1中看出隨著溫度升高，鈮的熱導(dǎo)率幾乎成正比例增加。鈮的熱膨脹系數(shù)隨著溫度變化可以分為兩段，在800℃以上，熱膨脹系數(shù)突然增加，并且隨著溫度升高逐漸增大。

2、鈮的化學(xué)性質(zhì)

鈮是非常穩(wěn)定的金屬，與鉭的化學(xué)性質(zhì)十分接近。真空條件或者經(jīng)過涂層保護(hù)下，鈮具有良好的高溫性能，但在大氣環(huán)境中，它的高溫性能受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。鈮被廣泛應(yīng)用的航空、航天、原子能工業(yè)等領(lǐng)域，對(duì)材料在大氣中使用的溫度要求超過了1050℃甚至達(dá)到1800"C，這對(duì)鈮及鈮合金的抗氧化性提出很高的要求。在溫度低于200℃的情況下，鈮不會(huì)受到各種氣體的影響，但是當(dāng)溫度在200℃左右時(shí)，鈮就開始慢慢氧化，這時(shí)鈮與氧反應(yīng)，在表面形成一層保護(hù)性氧化膜，當(dāng)溫度達(dá)到550℃時(shí)氧化反應(yīng)加快生成Nb2O5白色粉末。鈮與氧反應(yīng)一般會(huì)生成三種穩(wěn)定的氧化物Nb2O5、NbO2和NbO。鈮在250℃時(shí)開始吸收氫元素，生成間隙固溶體，使其脆化，塑性變差。間隙元素碳、氮、氫、氧對(duì)鈮的性影響十分明顯，他們含量過高，鈮的強(qiáng)度會(huì)迅速增加，塑性卻迅速下降。

在較低溫度下，鈮與氧反應(yīng)使其表層氧化膜厚度增加，形成保護(hù)性氧化膜，接著氧化速度減慢，其反應(yīng)速度降低，鈮這種復(fù)雜的氧化過程與它氧化產(chǎn)物的多晶體系轉(zhuǎn)變過程有關(guān)，鈮在低溫下各個(gè)不同溫度的空氣中的氧化狀態(tài)如表1-3所示。表1-3中列出了鈮在400℃附近，保護(hù)性氧化膜逐漸形成顯微氣泡并且轉(zhuǎn)變成非保護(hù)性氧化膜；當(dāng)溫度高于500℃氧化速度迅速提高，氧化成正比例直線關(guān)系，如圖1.1所示。

鈮的高溫耐酸腐蝕性僅次于鉭，常溫下鈮在許多無機(jī)鹽、有機(jī)酸、礦物酸及其水溶液中十分穩(wěn)定，但是抗堿性差，氫氟酸、氫氟酸加硝酸的混合酸能夠侵蝕。鈮在各種化學(xué)介質(zhì)中的抗腐性能如表1-4所示。

3、鈮的力學(xué)性能

鈮的力學(xué)性能是鈮在外力作用下所顯示的彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的性能，是鈮材料沖壓成型加工最令人關(guān)心的指標(biāo)。反應(yīng)鈮板材沖裁性能的特征值有：屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度極限、硬度、延伸率、斷面收縮率、加工硬化指數(shù)、彈性模量等。它可以歸納為以下幾類參數(shù)：①塑性參數(shù)，包括伸長率、斷面收縮率、愛力克辛值等；②變形抗力參數(shù)，它是材料在外力作用時(shí)抑制開始產(chǎn)生塑性變形的能力，主要參數(shù)有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度；③屈服強(qiáng)度參數(shù)，它是材料開始塑性形變時(shí)所需應(yīng)力；④彈性模量參數(shù)，它是構(gòu)件剛性的表征，剛性越大，拉伸件彈性變形越小：⑤硬度參數(shù)，它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。

鈮在室溫下的泊松比為0.38，再結(jié)晶熱處理后鈮板彈性模量在不同溫度下如表1-5所示，鈮的硬度隨溫度變化如表1-6所示。

4、鈮的可加工性

鈮在不同狀態(tài)下(如鑄態(tài)、加工態(tài)、退火態(tài)、燒結(jié)態(tài)等)有不同的微觀組織，因而其力學(xué)性能差異顯著。比如鈮板材在室溫下，冷加工態(tài)的抗拉強(qiáng)度在550～689MPa，延伸率5%~15％；進(jìn)行熱處理后，退火態(tài)的抗拉強(qiáng)度為310～379MPa，延伸率15％~40％，由于力學(xué)性能在熱處理前后的變化很大，材料的可加工性能必然相差很大。在檢驗(yàn)板材沖壓成型性能的三種實(shí)驗(yàn)方法中，金屬學(xué)實(shí)驗(yàn)室其中之一，材料的結(jié)晶方位，晶粒度是重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在反應(yīng)整修性能的材料特征值方面，材料的組織性能是主要考慮的一個(gè)方面。

通常情況下三種實(shí)驗(yàn)方法可以獲取材料的熱變性參數(shù)，以此可以評(píng)價(jià)材料的加工可能性。

1）高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，高溫拉伸試驗(yàn)很容易完成，并且得到材料在不同溫度下的強(qiáng)度和延性(延伸率和斷面收縮率)。拉伸試驗(yàn)中很難控制應(yīng)變率，出現(xiàn)縮頸后樣品為不均勻形狀，限制了要達(dá)到的應(yīng)變量，導(dǎo)致斷裂前的應(yīng)變量的不確定性，因此拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估可加工性受到限制。

2）扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)中的變形為純切變，在大應(yīng)變時(shí)都無縮頸問題，應(yīng)變率直接與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)容易控制，并且沒有摩擦貢獻(xiàn)。扭轉(zhuǎn)過程中，特別是大應(yīng)變時(shí)，材料會(huì)有過度的再取向，這與塑性加工過程是不符的，因此扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估材料可加工性也受限制。

3）熱壓縮試驗(yàn)中如果使用特定潤滑可是均勻變形保持到大應(yīng)變，壓縮應(yīng)力狀態(tài)最接近于鍛造、擠壓、軋制過程的條件。在熱壓縮實(shí)驗(yàn)中采用“不變應(yīng)變率壓縮”可以獲得“有限元”法所需的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)和可深加工性數(shù)據(jù)以建立加工圖，以此熱壓縮實(shí)驗(yàn)在評(píng)價(jià)材料可加工性中被優(yōu)先采用。