受辐照影响的锆合金切向微动磨损特性研究

摘要

核电作为解决能源问题的重要途径之一，已经成为衡量一个国家综合国力和国际竞争力的重要指标。Zr-4合金包壳管和Inconel718合金定位格架组成的燃料元件是核电系统中裂变反应发生的场所，包壳管作为辐射防护的第一道屏障其内部经受长时间的辐照损伤，外部在流致振动作用下与定位格架之间又会产生严重的微动磨损。因此，研究辐照对锆材料微动磨损性能的影响对提高核电站使用寿命、保障核电装备安全运行有着重要的意义。　　本文将辐照前后的Zr-4合金材料作为研究对象，在自主研制的多功能微动磨损试验机上，以球-平面接触方式对不同辐照损伤程度的锆合金样品进行了微动磨损试验研究。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜及配套的能谱分析(SEM及EDX)、X射线光电子能谱(XPS)及白光干涉等分析测试方法，对辐照前后锆合金的微动磨损行为进行了分析研究。此外，利用有限元模拟软件ABAQUS对不同工况下的微动磨损进行了数值模拟，模拟的结果从接触力学角度对微动试验现象给出了解释。开展上述工作所取得的主要成果如下：　　(1)在不同法向载荷(10～80N)，位移幅值(5～60μm)，切向频率(1 Hz、5 Hz、10 Hz、50 Hz)条件下开展了微动试验。根据摩擦系数曲线、Ft-D曲线的演化规律，结合磨痕形貌，建立了Zr-4合金微动运行工况图(RCFM)。微动运行工况图包含部分滑移区、混合区及滑移区三种运行机制。部分滑移区接触表面仅有轻微擦伤，磨损机理为黏着磨损；混合区接触表面存在中心黏着区及边缘滑移区，磨损机理中心为黏着磨损，边缘为磨粒磨损；滑移区磨痕呈现较大程度的剥层及微观切削现象，磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损并伴随氧化磨损。　　(2)辐照后的锆合金表面出现了辐照硬化，即硬度升高，脆性增大。与未辐照样品相比，部分滑移区的接触表面呈现出更少的擦伤，磨损机理仍为黏着磨损；混合区及滑移区接触表面出现了细碎的磨粒，磨损机理从黏着磨损转变为磨粒磨损；随着辐照剂量的增加这种转化趋势更加明显。　　(3)利用有限元软件对不同工况下Zr-4合金微动磨损进行了仿真分析。从接触力学角度看，模拟结果对微动磨损现象给出了合理的理论解释。法向载荷和位移幅值共同作用决定界面的接触状态。部分滑移状态中心黏着边缘滑移，在黏滑交界存在应力奇点，为等效应力及切应力最值位置，边缘滑移部分磨损严重；完全滑移状态应力最值向微动方向偏移，不存在应力奇点，接触中心磨损严重。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 摩擦学概述

1.2 微动摩擦学相关理论及研究方法

1.2.1 微动的基本概念

1.2.2 微动的分类

1.2.3 影响微动的主要因素

1.2.4 微动磨损主要理论

1.3 材料的辐照效应

1.3.1 概述

1.3.2 锆合金中子辐照

1.3.3 锆合金离子辐照

1.4 核电发展现状及研究背景

1.4.1 核电发展现状

1.4.2 核电系统及燃料组件

1.5 研究现状及研究内容

1.5.1 研究现状

1.5.2 主要研究内容

第2 章 研究方法

2.1 试验材料及加工处理

2.1.1 试样材料

2.1.2试样处理

2.1.3 对摩副材料

2.2 辐照损伤及其计算

2.3 320kV高电荷态离子综合研究平台

2.4 微动试验设备

2.5 试验参数

2.6 实验分析测试方法

2.6.1 磨痕形貌分析

2.6.2 磨痕轮廓及磨损量测定

2.6.3 磨损产物分析

2.6.4 纳米压痕测试

2.7 有限元分析方法及计算理论

2.7.1 有限元分析方法

2.7.2 微动相关接触理论

第3 章 Zr-4 合金切向微动磨损特性

3.1 微动磨损的运行行为

3.1.1 Ft-D曲线

3.1.2 摩擦系数曲线

3.2 微动磨损特性

3.2.1 磨痕演化过程

3.2.2 位移及载荷对微动磨损特性的影响

3.2.3 切向频率对微动磨损特性的影响

3.3 磨损机理

3.4 本章小结

第4 章辐照作用对锆合金微动特性的影响

4.1 锆合金辐照前后力学性能测试

4.2 常温辐照后锆合金的微动特性

4.3 不同损伤程度锆合金的微动特性

4.4 锆合金辐照前后微动特性对比

4.5 本章小节

第5 章 Zr-4 合金切向微动的有限元分析

5.1 有限元模型的建立

5.1.1 接触设置

5.1.2 材料参数

5.1.3 边界条件设置

5.2 数值计算结果

5.2.1 赫兹接触分析

5.2.2 切向微动分析

5.3 本章小结

第6 章结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利