N36锆合金的氢化物应力再取向及环向拉伸性能研究

摘要

锆合金具有低的中子吸收截面、较高的熔点、良好的抗腐蚀性能及显微组织和辐照稳定性而被广泛用作水冷反应堆堆芯结构材料。在反应堆运行中，锆合金与冷却水发生反应而吸氢，形成脆性的氢化物而影响反应堆的安全性。氢脆的程度不仅取决于氢化物的数量，更取决于氢化物的取向。氢化物呈径向分布时，会显著降低包壳管的力学性能。N36锆合金作为国内具有自主知识产权的Zr-Sn-Nb系合金，相比Zr-4合金，具有更优良的耐蚀性能、吸氢性能、焊接性能、抗疲劳、蠕变性能等堆外性能。
　　本文对N36锆合金采用高压釜和气相渗氢，并采用配有加热炉的拉伸设备对含氢锆合金进行氢化物应力再取向试验，测量氢化物取向因子(Fn)并进行不确定度分析。对不同氢含量和不同Fn的试样进行环向拉伸，并对断口进行SEM观察。主要获得以下结论:
　　(1)通过计算，样品分层后，同一层次之间的Fn波动大于样品整体Fn之间的波动。对Fn结果影响最大的因素是样品材料热处理、切割、渗氢和再取向试验时引起的A类不确定度。测量软件和人为测量引起的B类不确定度较小。
　　(2)氢含量为150 ppm、250 ppm和350 ppm的N36试样在经不同的环向应力和热循环次数条件的氢化物应力再取向试验后，Fn随着环向应力和热循环次数的增加，先增大后趋于平缓。250 ppm的试样Fn均未超过0.5。氢含量为150 ppm的试样在环向应力为160MPa时，Fn高达0.82。氢含量为350ppm的试样在16次热循环后，Fn高达0.85。
　　(3) N36锆合金中，当氢含量依次为未渗氢、80 ppm、150 ppm、350 ppm、470 ppm、750 ppm时，抗拉强度与屈服强度分别从500MPa、470MPa增加到530 MPa、500MPa;延伸率由30％降为8％。氢含量为150 ppm的N36锆合金，当Fn由0.1增加到0.82时，抗拉强度与屈服强度没有变化，分别约为500MPa和470 MPa;延伸率由28％降低为8％。
　　(4) N36锆合金断口SEM分析表明，与未渗氢试样相比，低氢试样表面同样存在大量的韧窝，但存在由氢化物产生的二次裂纹。随着氢含量和Fn的增加，二次裂纹的数量减小，解理台阶和撕裂纹较明显，呈脆性断裂特征。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 核能的运用

1．2 核动力用锆合金

1．2．1 锆合金中的合金元素

1．2．2 锆合金的发展

1．2．3 锆合金的力学性能

1．3 锆合金中的氢及氢化物

1．3．1 锆合金的吸氢

1．3．2 氢在锆合金中的溶解度

1．3．3 氢化物在锆合金中的状态

1．4 锆合金的氢化物取向研究现状

1．4．1 织构与氢化物取向

1．4．2 锆合金的氢化物应力再取向

1．4．3 氢化物对锆合金力学性能的影响

1．5 研究目的和意义

1．6 研究内容

第2章 实验

2．1 实验材料

2．2 N36锆合金渗氢试验

2．2．1 高压釜渗氢

2．2．2 气相渗氢

2．3 N36锆合金管氢化物再取向试验

2．3．1 试验设备

2．3．2 试验方法

2．4 氢化物取向因子的测量方法

2．5 N36锆合金管环向拉伸试验

2．5．1 拉伸试样尺寸及位置

2．5．2 环向拉伸曲线分析

2．6 N36锆合金的金相观察和断口分析

第3章 氢化物应力再取向试验的可靠性评价

3．1 试验结果

3．2 不确定度来源分析

3．2．1 A类不确定度

3．2．2 B类不确定度

3．2．3 合成不确定度

3．2．4 扩展不确定度

3．3 本章小结

第4章 N36锆合金管的氢化物应力再取向研究

4．1 N36管材原始氢化物形貌

4．2 环向应力及热循环次数对氢化物再取向的影响

4．2．1 氢化物形貌

4．2．2 氢化物取向因子及结果分析

4．3 氢含量对氢化物应力再取向的影响

4．3．1 氢化物形貌

4．3．2 氢化物取向因子及结果分析

4．4 本章小结

第5章 氢含量及氢化物取向对N36环向拉伸的影响

5．1 氢含量对N36环向拉伸性能的影响

5．2 氢化物取向对N36环向拉伸性能的影响

5．3 拉伸试样断口分析

5．3．1 断口宏观分析

5．3．2 断口SEM分析

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果