U-2.5wt％Nb合金的氢蚀及其对力学性能影响

摘要

金属铀及其合金作为核工程中重要组成材料而备受关注。铀及其合金非常活泼且存在多种相结构，在其贮存和使用过程中存在两个方面的老化问题:与环境气氛作用引起的表面腐蚀和不稳定相分解引起的结构性能变化。因此这两方面就成为铀及其合金研究的热点和难点。本论文以U-2.5wt％Nb合金表面氢腐蚀可能引起合金力学性能老化的问题为研究背景而展开。
　　(1)系统地利用在线显微镜研究了U-2.5wt％Nb合金氢蚀初期氢化物的生长与成核动力学。研究结果表明，在一定温度范围内，氢化物的生长速度与反应温度符合Arrhenius关系，U-2.5wt％Nb合金氢化物生长激活能为24.34k J/mol。在远离平衡态的实验条件下，压力对氢化物生长速度影响显得非常弱。样品表明氢化物成核数目的试验结果表明氢化物成核速度与温度遵从Arrhenius关系，与压力成正比。对氢蚀成核位置的初步研究发现，对于U-2.5wt％Nb合金，晶界并不是成核的优先选择，样品表面某些尖角处和粗糙处容易发生氢蚀，材料表面越粗糙，氢蚀越易发生。
　　(2)系统地研究了U-2.5wt％Nb合金氢蚀初期孕育期影响因素，并探讨了其内在机制。研究结果表明:U-2.5wt％Nb合金氢蚀存在孕育期，相对于未合金化铀，U-2.5wt％Nb合金更易发生氢蚀。U-2.5wt％Nb与U合金氢蚀成核形貌也有所不同。温度和压力对孕育期实验揭示了孕育期存在机理，即“扩散屏蔽”机制。较低温下(＜125℃)孕育期随反应温度的升高而减小，表现为Arrhenius关系，其表观活化能为22.92k J/mol。孕育期随反应压力升高而减小，孕育期与反应氢压力成反比关系。孕育期随氧化膜增加而显著增加。超过125℃，孕育期随反应温度的升高而增加，表明孕育期的“扩散屏蔽”机制已经失效。利用现有处理手段，对氢蚀动力学不同影响因素进行了研究，结果表明，预热处理显著影响U-2.5wt％Nb合金氢蚀孕育期;表面等离子注氮能显著提高U-2.5wt％Nb合金的抗氢蚀性能。添加不同浓度CO的氢气非常明显的延长了孕育期。
　　(3)利用加速腐蚀方法，采用标准拉伸力学试样，研究了氢腐蚀对材料力学性能的影响。结果显示，U-2.5wt％Nb合金断后伸长率和断面收缩率下降非常明显，抗拉强度略有下降，屈服强度和弹性模量变化不明显。拉伸样表面腐蚀形貌、断口形貌、剖面形貌试验结果显示，氢蚀引起的表面缺陷如蚀坑、微裂纹、氢扩散区导致了材料力学性能的下降，生成氢化物相是导致材料变脆的主要原因。获得了U-2.5wt％Nb合金准静态下拉伸本构方程，氢蚀后材料的应变硬化能力发生变化。
　　采用应变能密度理论，以表面存在微裂纹的拉伸样来模拟氢腐蚀的影响，计算了表面存在不同长度微裂纹时应变能密度的变化。模拟结果显示，表面腐蚀形成的缺陷如微裂纹确实降低了氢化腐蚀后铀铌合金抗拉强度和延伸率，特别是延伸率下降较多。随着裂纹尺度的增加，力学性能参数下降更多。有限元计算结果与实验结果吻合较好。
　　计算了含有一定环境气氛的铀材料在密闭体系经过长期充分作用后，体系内各组分的含量，尤其是氢分压和氢量。结果表明湿度引起的水含量生成的氢气量，足以使材料发生氢腐蚀，当湿度为80％时最大单位面积腐蚀量可达0.096mol/mm2，但这个腐蚀量不足以引起材料整体力学性能发生较大变化。但是如果这么大的氢气量在某个薄弱点发生腐蚀，不能以平均值计算。
　　(4)利用Hopkinson杆实验研究了U-2.5wt％Nb合金动态力学行为和微结构变化，并研究表面氢蚀对其动态力学行为的影响。获得了材料在10-3-103/s应变速率范围内材料的应力应变曲线，利用Johnson-Cook本构模型获得了U-2.5wt％Nb合金高应变速率下的本构方程。高应变速率下材料的屈服强度明显增加说明U-2.5wt％Nb合金是应变率敏感材料。氢蚀样和原始样一样对应变速率敏感，敏感程度相近，氢蚀后在塑性变形阶段的应变强化效应略有不同，应变指数增大，抗应变能力增强，氢蚀样屈服强度提高，屈服应变增大，腐蚀缺陷加快了材料塑性变形。材料在高应变速率下的微结构演化结果显示，在应变率低于1500s-1时，合金的变形机制仍以滑移为主，晶界结构未见明显变化，尚未观察到明显剪切带。

目录

声明

摘要

引言

第一章 铀铌合金的氢腐蚀及力学性能研究进展(文献综述)

1．1 金属铀及其合金结构与性能

1．1．1 金属铀

1．1．2 铀铌合金

1．1．3 U-2．5wt％Nb低温时效

1．2 铀与氢气反应动力学

1．2．1 氢的来源(U-H2反应研究背景)

1．2．2 铀氢作用概述

1．2．3 铀与氢气反应孕育期

1．2．4 铀氢化物生长动力学

1．2．5 铀氢化物成核

1．2．6 氢化物的表征

1．3 氢对铀材料静态力学性能影响

1．3．1 一般材料的氢致损伤

1．3．2 铀材料环境氢脆

1．3．3 铀材料的内氢脆

1．4 动态力学研究概况和铀材料的动态力学研究现状

1．5 研究方法综述

1．5．1 铀氢反应动力学实验研究方法

1．5．2 力学实验研究方法

1．5．3 相关的理论计算

1．6 结束语

第二章 实验方法

2．1 U-2．5wt％Nb合金氢腐蚀实验研究方法

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验流程图

2．1．3 实验材料

2．1．4 研究方法

2．2 U-2．5wt％Nb合金静态力学性能实验方法

2．2．1 拉伸样的氢腐蚀

2．2．2 力学测试

2．3 动态力学-Hopkinson杆原理及实验方法

2．3．1 Hopkinson杆原理

2．3．2 实验方法

2．4 显微硬度

2．5 其他材料表征设备原理及方法

2．5．1 金相显微镜

2．5．2 扫描电镜

2．5．3 氧化膜厚度测量

2．5．4 气体成分测量

第三章 U-2．5wt％Nb合金的低温氢化反应初始阶段动力学研究

3．1 引言

3．2 U-2．5wt％Nb合金氢化初期一般特征

3．3 未合金化U与U-2．5wt％Nb合金氢化对比

3．4 温度对U-2．5wt％Nb合金氢化动力学影响

3．5 压力对U-2．5wt％Nb合金氢化动力学影响

3．6 热处理对U-2．5wt％Nb合金氢化动力学影响

3．7 膜厚对U-2．5wt％Nb合金氢化影响

3．8 CO气体参杂对氢蚀动力学影响

3．9 晶界在氢化成核点中的作用

3．10 等离子注氮对U-2．5wt％Nb合金氢化影响

3．11 表面粗糙度的影响

3．12 分析与讨论

3．12．1 生成产物讨论

3．12．2 铀氢化物表征的难度

3．12．3 U-2．5wt％Nb合金氢化孕育期模型及对实验结果的分析

3．12．4 高温下U-2．5wt％Nb合金氢化孕育期的特殊现象分析

3．12．5 U-2．5wt％Nb合金氢化速度分析

3．13 本章小结

第四章 U-2．5wt％Nb合金氢化物的生长与成核

4．1 引言

4．2 氢化物的长大速率

4．2．1 温度对氢化物生长速率的影响

4．2．2 压力对氢化物生长速度的影响

4．2．3 不均匀成核对氢化物生长速度的影响

4．3 氢化物的成核速率

4．4 U-2．5wt％Nb合金氢化总反应速率

4．5 U材料氢化动力学温度拐点效应讨论

4．6 本章小结

第五章 氢蚀对U-2．5wt％Nb合金力学性能的影响

5．1 引言

5．2 原始样力学性能分析

5．2．1 应力应变曲线

5．2．2 断口形貌

5．3 氢蚀后力学性能分析

5．3．1 氢蚀后表面形貌分析

5．3．2 力学性能变化

5．3．3 氢腐蚀引起的材料本构关系变化

5．3．4 断口分析

5．3．5 氢蚀剖面分析

5．3．6 氢的扩散问题

5．3．7 硬度测试

5．3．8 氢蚀影响力学性能机制讨论

5．4 氢蚀对U-2．5wt％Nb合金力学性能的影响数值模拟

5．4．1 含缺陷试样力学性能研究

5．4．2 氢蚀后U-2．5wt％Nb合金力学研究的实验观察

5．4．3 有限元模型

5．4．4 氢化腐蚀铀铌合金拉伸性能预测

5．4．5 本节小结

5．5 密封环境下U-2．5wt％Nb合金氢蚀及其力学变化讨论

5．5．1 密封球内U-O2-H2O-H2作用研究

5．5．2 H2O和H2的含量的计算

5．5．3 结论

5．6 本章小结

第六章 氢蚀对U-2．5wt％Nb合金动态力学性能影响初探

6．1 引言

6．2 SHPB压杆实验的应变速率

6．3 应力应变曲线

6．3．1 应力应变曲线的应变率效应

6．3．2 氢蚀对高应变速率下应力应变曲线的影响

6．4 U-2．5wt％Nb合金本构方程建立

6．5 高应变速率作用下材料微结构演变

6．6 本章小结

第七章 全文总结及结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文情况及获奖情况