鋯合金的低周疲勞行為研究

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1、P569286四川大學(xué)博士學(xué)位論文：鋯合盤的低周疲勞行為研究鋯合金的低周疲勞行為研究材料學(xué)專業(yè)研究生：李聰指導(dǎo)教師：沈保羅教授由于鋯的熱中子吸收截面小，并具有優(yōu)異的耐高溫水腐蝕性能、良好的綜合力學(xué)性能和理想的熱導(dǎo)率，因此，鋯合金被用作核電站水冷動(dòng)力堆核燃料元件的包殼材料和堆芯的其它結(jié)構(gòu)材料。反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，堆功率的波動(dòng)和水冷卻介質(zhì)的流動(dòng)使燃料組件及其它構(gòu)件經(jīng)受不同形式的循環(huán)變形，在極端情況下容易出現(xiàn)破損。因此，要保障核電站水冷動(dòng)力堆的安全運(yùn)行，就要對(duì)鋯合金的低周疲勞行為有詳盡的了解和認(rèn)識(shí)。特別是當(dāng)要求研制新型高性能的燃料組件以降低核

2、電成本時(shí)，對(duì)鋯合金低周疲勞行為的研究就顯得尤為迫切。本文采用對(duì)稱拉壓循環(huán)變形方法(也=‰in，島。=一1)，系統(tǒng)研究了織構(gòu)、熱處理狀態(tài)、氫對(duì)Zr-4合金低周疲勞性能的影響，Zr-4合金、N18合金和N36合金的循環(huán)變形行為，并研究了摩擦應(yīng)力、背應(yīng)力隨循環(huán)周次、塑性應(yīng)交幅的變化規(guī)律。結(jié)合疲勞亞結(jié)構(gòu)和疲勞斷口的分析結(jié)果，深入探討了影響合金低周疲勞行為的作用機(jī)制。Zr-4合金低周疲勞性能的研究表明，不同冶金狀態(tài)的z卜4合金在室溫和400℃的低周疲勞壽命(N，)都隨塑性應(yīng)變范圍(△占。)的增加雨降低，并遵循Coffin．Manson關(guān)系N

3、，gAe。=C。但是，冶金狀態(tài)不同，合金的抗疲勞陛能不同。對(duì)于冷加工后經(jīng)再結(jié)晶退火處理的Zr-4合金，軋制方向的低周疲勞壽命比橫向要大。隨著△s。的降低，兩個(gè)方向的低周疲勞壽命的差別相應(yīng)增加，這是由于合金中存在織構(gòu)的緣故。冷加工后經(jīng)再結(jié)晶退火處理的Zr-4合金在p固溶處理后，抗疲勞性能明顯降低，這主要是由于D固溶處理降低了合金的Schmid因子；D固溶處理后在理相區(qū)的退火對(duì)疲勞性能有影響，即500℃×1．5h退火的抗疲勞性能要優(yōu)于750"Cxl．5h退火，這主要與500"Cxl．5h退火的合金中沉淀相粒子的數(shù)量較少有關(guān)。240pg

4、／g的氫要改善Zr-4合金在400。C的抗疲勞性能，其主要原因是甜Zr基體中的固溶氫(～200p．g／g)弱化了位錯(cuò)與氧等溶質(zhì)原子、位錯(cuò)與摘要釘扎點(diǎn)的相互作用，促進(jìn)了位錯(cuò)的發(fā)射，增強(qiáng)了位錯(cuò)的活動(dòng)性。用單試樣法或多試樣法，研究了錯(cuò)合金在室溫和400。C的循環(huán)變形。結(jié)果表明，無(wú)論在室溫還是在400。C，循環(huán)飽和應(yīng)力盯。隨塑性應(yīng)變幅占。的變化滿足乘冪關(guān)系盯。=世5占?！?。在低應(yīng)變范圍，冷加工后經(jīng)再結(jié)晶退火處理的鋯合金的循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變曲線位于單調(diào)拉伸曲線的下方，表現(xiàn)為循環(huán)軟化；在高應(yīng)變范圍則位于單調(diào)拉伸曲線的上方，表現(xiàn)為循環(huán)硬化。對(duì)于室溫

5、下恒應(yīng)變幅的循環(huán)變形，在應(yīng)變幅較低時(shí)表現(xiàn)為循環(huán)軟化直至疲勞破壞；在應(yīng)變幅較高時(shí)，循環(huán)變形的初期為循環(huán)硬化，隨后是循環(huán)軟化直至疲勞破壞。在400℃，合金要發(fā)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效，其原因是氧等溶質(zhì)原子對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的釘扎作用而導(dǎo)致合金的摩擦應(yīng)力增大。含240btg／g氫的Zr-4合金在400℃的循環(huán)變形行為和無(wú)氫Zr-4合金是一樣的，但是，含氫Zr-4合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效不象無(wú)氫Zr．4合金那樣明顯，因?yàn)楣倘軞?-200rtg／g)弱化了位錯(cuò)與氧等溶質(zhì)原子、與釘扎點(diǎn)的相互作用。Masing特性的研究表明，鋯合金具有Masing特性的充分必要條件為

6、：對(duì)于任一應(yīng)變范圍的循環(huán)變形，在某一給定的應(yīng)變值，其對(duì)應(yīng)的背應(yīng)力和摩擦應(yīng)力都是相同的。經(jīng)p圃溶處理后的鋯合金在室溫下極易具有M黯ing特性。用Cottrell方法對(duì)滯后回線進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨羞循環(huán)變形的進(jìn)行，合金中的晶粒要轉(zhuǎn)動(dòng)，使晶粒位于具有更高Sehmid因子的晶體學(xué)取向位置，摩擦應(yīng)力相應(yīng)降低。晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的難易程度與織構(gòu)和晶粒形態(tài)?？棙?gòu)越強(qiáng)，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)越容易，摩擦應(yīng)力的降低也就越明顯。對(duì)于經(jīng)B固溶處理而得到的板條狀晶粒組織，由于。【晶粒團(tuán)的晶界犬牙交錯(cuò)，晶粒不易轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦應(yīng)力只是略微降低。Zr．4合金在400。C時(shí)的摩擦應(yīng)力要

7、比室溫時(shí)的低；由于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效，摩擦應(yīng)力盯．，會(huì)隨應(yīng)變幅的增加而緩慢增長(zhǎng)；增加合金中沉淀相粒子的數(shù)量或戧·Zr基體中合金元素的含量要增加摩擦應(yīng)力；伐．Zr基體中的固溶氫要降低Zr-4合金在400"C時(shí)的摩擦應(yīng)力，因?yàn)楣倘軞淙趸宋诲e(cuò)與氧等溶質(zhì)原子、位錯(cuò)與釘扎點(diǎn)的相互作用。晶粒之間變形的不協(xié)調(diào)是引起背應(yīng)力的主要原因i背應(yīng)力吼隨塑性應(yīng)變幅s。的變化滿足對(duì)數(shù)關(guān)系吒=K6lnE，+G。在塑性應(yīng)變幅s，恒定時(shí)，織構(gòu)越強(qiáng)，背應(yīng)力盯。越低；晶粒越細(xì)，背應(yīng)力口。越大。固溶氫要增加Zr-4合金在4004C時(shí)的背應(yīng)力，因?yàn)槲诲e(cuò)與固溶氫之間存在長(zhǎng)程的彈

8、性相互作用。鋯臺(tái)金在循環(huán)變形時(shí)，應(yīng)力響應(yīng)都是非對(duì)稱的，壓縮時(shí)的流變應(yīng)力盯；總是大于拉伸時(shí)的流變應(yīng)力盯!，造成這種差別的主要原因是合金中的晶間熱應(yīng)力。II四JII大學(xué)博士學(xué)位論文：鋯合金的低周疲勞行為研究用透射電子顯微鏡研究了疲勞試樣的亞結(jié)構(gòu)。結(jié)果表