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，以及深加工過程中的擠壓、鍛造、軋制、沖壓成型、表面防護、以及焊接技術與鈮及鈮合金材料的物理性質(zhì)，化學性質(zhì)、組織結構及力學性質(zhì)有著相應的密切關系。

1、鈮的物理性質(zhì)

鈮是元素周期表第V族副族元素，符號Nb，原子序數(shù)41，高熔點金屬之一，鈮的熔點2469±10℃，沸點4840℃，歸類于難熔金屬。鈮本身呈鋼灰色，質(zhì)硬同時具有延展性，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、旋壓機或其他設備對板材施加壓力，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，結構類型為A2，有48個滑移系，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，被應用與LED光源的陰極材料。

鈮作為高熔點的難熔金屬材料，鈮及鈮合金常常被應用在高溫條件下，并且應用溫度經(jīng)常在1000℃以上，因此鈮在高溫下的熱導率和熱膨脹系數(shù)對鈮材料在實際應用中有很大的影響。鈮的熱導率和熱脹系數(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、鈮的化學性質(zhì)

鈮是非常穩(wěn)定的金屬，與鉭的化學性質(zhì)十分接近。真空條件或者經(jīng)過涂層保護下，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重挑戰(zhàn)。鈮被廣泛應用的航空、航天、原子能工業(yè)等領域，對材料在大氣中使用的溫度要求超過了1050℃甚至達到1800"C，這對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，鈮不會受到各種氣體的影響，但是當溫度在200℃左右時，鈮就開始慢慢氧化，這時鈮與氧反應，在表面形成一層保護性氧化膜，當溫度達到550℃時氧化反應加快生成Nb2O5白色粉末。鈮與氧反應一般會生成三種穩(wěn)定的氧化物Nb2O5、NbO2和NbO。鈮在250℃時開始吸收氫元素，生成間隙固溶體，使其脆化，塑性變差。間隙元素碳、氮、氫、氧對鈮的性影響十分明顯，他們含量過高，鈮的強度會迅速增加，塑性卻迅速下降。

在較低溫度下，鈮與氧反應使其表層氧化膜厚度增加，形成保護性氧化膜，接著氧化速度減慢，其反應速度降低，鈮這種復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，鈮在低溫下各個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，保護性氧化膜逐漸形成顯微氣泡并且轉(zhuǎn)變成非保護性氧化膜；當溫度高于500℃氧化速度迅速提高，氧化成正比例直線關系，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鹽、有機酸、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。鈮在各種化學介質(zhì)中的抗腐性能如表1-4所示。

3、鈮的力學性能

鈮的力學性能是鈮在外力作用下所顯示的彈性和非彈性反應相關或涉及應力一應變關系的性能，是鈮材料沖壓成型加工最令人關心的指標。反應鈮板材沖裁性能的特征值有：屈服強度、強度極限、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抑制開始產(chǎn)生塑性變形的能力，主要參數(shù)有抗拉強度、抗壓強度和抗剪強度；③屈服強度參數(shù)，它是材料開始塑性形變時所需應力；④彈性模量參數(shù)，它是構件剛性的表征，剛性越大，拉伸件彈性變形越?。孩萦捕葏?shù)，它是衡量材料軟硬程度的力學性能指標。

鈮在室溫下的泊松比為0.38，再結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)、燒結態(tài)等)有不同的微觀組織，因而其力學性能差異顯著。比如鈮板材在室溫下，冷加工態(tài)的抗拉強度在550～689MPa，延伸率5%~15％；進行熱處理后，退火態(tài)的抗拉強度為310～379MPa，延伸率15％~40％，由于力學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。在檢驗板材沖壓成型性能的三種實驗方法中，金屬學實驗室其中之一，材料的結晶方位，晶粒度是重要實驗內(nèi)容，在反應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方面。

通常情況下三種實驗方法可以獲取材料的熱變性參數(shù)，以此可以評價材料的加工可能性。

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

2）扭轉(zhuǎn)實驗，扭轉(zhuǎn)中的變形為純切變，在大應變時都無縮頸問題，應變率直接與轉(zhuǎn)速對應容易控制，并且沒有摩擦貢獻。扭轉(zhuǎn)過程中，特別是大應變時，材料會有過度的再取向，這與塑性加工過程是不符的，因此扭轉(zhuǎn)實驗數(shù)據(jù)評估材料可加工性也受限制。

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