锆的化学性质和力学性能

锆的化学性质和力学性能

由于锆的外层电子排列为4s24p64d25s2，化合价为2、3、4价，常见的为4价，锆的稳定性比钛弱而比铪强，是一强还原剂和稳定金属，但稳定性受其表面状态和杂质含量的影响。经熔炼或碘化后制得的致密锆非常稳定；镁还原获得的海绵锆，由于是多孔海绵状则较活泼；特别是锆粉，粒度越细，由表面积越大，活性越高，易与气体、水发生反应。

    常温下金属锆在空气中极为稳定，与空气中的氧、氮完全不发生反应，致密锆则能长期保持其金属光泽。加热时锆强烈地吸收氧氮而形成稳定的化合物，并在表面生成氧化物保护层。这一原理常被用于镁还原——蒸馏结束后作为海绵锆的出炉安全措施之一而采用，但在较高温度下，锆的氧化膜会失去保护作用。当温度超过800℃时，则迅速生成ZrO2，在静止状态下的空气中，锆的氧化速率为1.08×10-2kg/(m2•h)；950℃时为7.07×10-2kg/(m2•h)。锆在高温下除与氧氮形成稳定的化合物外，还可与CO2、、H2O气发生反应。

在低压下锆与氧、水蒸气等的反应温度见下表：

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                                    温度/℃
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H2        O2                  N2                     H2O(蒸汽)        CO与CO2
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300～400   700                 1000                  ——             ——
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760       835                 在1527以前无反应      ——             ——
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          起始反应：180～230
550       ------------------  600                    ——            500
          **条件：650～700
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300       400                 在400缓慢，在800迅速   300             800
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金属锆的力学性能 
  
A．一般性能

    金属锆属于高熔点金属，但其力学性能则与熔点较低的金属很相似，如弹性系数小，强度极限随温度升高而下降等。在20℃下锆的主要力学性能见下表：

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    基 本 特 性         数 值
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    弹性系数/kg•m^-2    9.82×10^10
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    硬度HB              64～67
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    抗拉强度极限/Pa     (2.3～2.5) ×10^8
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    屈服极限/Pa         2.1×10^8
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    杨氏模量/Pa         9.39×10^8
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    泊松比              0.34
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    剪切模量/Pa         3.48×10^10
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B．中子辐照下锆的某些力学性能

    变形较大的金属锆在辐照条件下，其屈服极限有所降低，伸长率则有所提高。冷变形锆在积水通量为5×1019n/cm2下的数值见表1。而电弧炉精炼后的锆，在600℃退火1h，再经260℃辐照后，其屈服极限、强度极限均变化不大，见表2。

    表1  冷变形锆的一些力学性能
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    T/K      屈服极限/ MPa       抗拉强度极限/MPa    伸长率/%
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             辐照前    辐照后    辐照前    辐照后    辐照前    辐照后
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    20       748       742       867       867       35        42
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    90       720       671       805       805       27        34
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    160      643       630       706       742       19        29
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    200      609       574       636       650       21        27
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    表2  辐照后退火锆力学性能
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    快中子总通量    屈服极限    强度极限    断面收缩率    在50mm长度上
      /n•cm^-2       / MPa       / MPa       /%            的伸长率/%