锆合金的低周疲劳行为分析

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1、P569286四川大学博士学位论文：锆合盘的低周疲劳行为研究锆合金的低周疲劳行为研究材料学专业研究生：李聪指导教师：沈保罗教授由于锆的热中子吸收截面小，并具有优异的耐高温水腐蚀性能、良好的综合力学性能和理想的热导率，因此，锆合金被用作核电站水冷动力堆核燃料元件的包壳材料和堆芯的其它结构材料。反应堆运行时，堆功率的波动和水冷却介质的流动使燃料组件及其它构件经受不同形式的循环变形，在极端情况下容易出现破损。因此，要保障核电站水冷动力堆的安全运行，就要对锆合金的低周疲劳行为有详尽的了解和认识。特别是当要求研制新型高性能的燃料组件以降低核

2、电成本时，对锆合金低周疲劳行为的研究就显得尤为迫切。本文采用对称拉压循环变形方法(也=‰in，岛。=一1)，系统研究了织构、热处理状态、氢对Zr-4合金低周疲劳性能的影响，Zr-4合金、N18合金和N36合金的循环变形行为，并研究了摩擦应力、背应力随循环周次、塑性应交幅的变化规律。结合疲劳亚结构和疲劳断口的分析结果，深入探讨了影响合金低周疲劳行为的作用机制。Zr-4合金低周疲劳性能的研究表明，不同冶金状态的z卜4合金在室温和400℃的低周疲劳寿命(N，)都随塑性应变范围(△占。)的增加雨降低，并遵循Coffin．Manson关系N

3、，gAe。=C。但是，冶金状态不同，合金的抗疲劳陛能不同。对于冷加工后经再结晶退火处理的Zr-4合金，轧制方向的低周疲劳寿命比横向要大。随着△s。的降低，两个方向的低周疲劳寿命的差别相应增加，这是由于合金中存在织构的缘故。冷加工后经再结晶退火处理的Zr-4合金在p固溶处理后，抗疲劳性能明显降低，这主要是由于D固溶处理降低了合金的Schmid因子；D固溶处理后在理相区的退火对疲劳性能有影响，即500℃×1．5h退火的抗疲劳性能要优于750"Cxl．5h退火，这主要与500"Cxl．5h退火的合金中沉淀相粒子的数量较少有关。240pg

4、／g的氢要改善Zr-4合金在400。C的抗疲劳性能，其主要原因是甜Zr基体中的固溶氢(～200p．g／g)弱化了位错与氧等溶质原子、位错与摘要钉扎点的相互作用，促进了位错的发射，增强了位错的活动性。用单试样法或多试样法，研究了错合金在室温和400。C的循环变形。结果表明，无论在室温还是在400。C，循环饱和应力盯。随塑性应变幅占。的变化满足乘幂关系盯。=世5占。”。在低应变范围，冷加工后经再结晶退火处理的锆合金的循环应力一应变曲线位于单调拉伸曲线的下方，表现为循环软化；在高应变范围则位于单调拉伸曲线的上方，表现为循环硬化。对于室温

5、下恒应变幅的循环变形，在应变幅较低时表现为循环软化直至疲劳破坏；在应变幅较高时，循环变形的初期为循环硬化，随后是循环软化直至疲劳破坏。在400℃，合金要发生动态应变时效，其原因是氧等溶质原子对可动位错的钉扎作用而导致合金的摩擦应力增大。含240btg／g氢的Zr-4合金在400℃的循环变形行为和无氢Zr-4合金是一样的，但是，含氢Zr-4合金的动态应变时效不象无氢Zr．4合金那样明显，因为固溶氢(-200rtg／g)弱化了位错与氧等溶质原子、与钉扎点的相互作用。Masing特性的研究表明，锆合金具有Masing特性的充分必要条件为

6、：对于任一应变范围的循环变形，在某一给定的应变值，其对应的背应力和摩擦应力都是相同的。经p圃溶处理后的锆合金在室温下极易具有M黯ing特性。用Cottrell方法对滞后回线进行了分析。结果表明，随羞循环变形的进行，合金中的晶粒要转动，使晶粒位于具有更高Sehmid因子的晶体学取向位置，摩擦应力相应降低。晶粒转动的难易程度与织构和晶粒形态。织构越强，晶粒转动越容易，摩擦应力的降低也就越明显。对于经B固溶处理而得到的板条状晶粒组织，由于。【晶粒团的晶界犬牙交错，晶粒不易转动，摩擦应力只是略微降低。Zr．4合金在400。C时的摩擦应力要

7、比室温时的低；由于动态应变时效，摩擦应力盯．，会随应变幅的增加而缓慢增长；增加合金中沉淀相粒子的数量或戗·Zr基体中合金元素的含量要增加摩擦应力；伐．Zr基体中的固溶氢要降低Zr-4合金在400"C时的摩擦应力，因为固溶氢弱化了位错与氧等溶质原子、位错与钉扎点的相互作用。晶粒之间变形的不协调是引起背应力的主要原因i背应力吼随塑性应变幅s。的变化满足对数关系吒=K6lnE，+G。在塑性应变幅s，恒定时，织构越强，背应力盯。越低；晶粒越细，背应力口。越大。固溶氢要增加Zr-4合金在4004C时的背应力，因为位错与固溶氢之间存在长程的弹

8、性相互作用。锆台金在循环变形时，应力响应都是非对称的，压缩时的流变应力盯；总是大于拉伸时的流变应力盯!，造成这种差别的主要原因是合金中的晶间热应力。II四JII大学博士学位论文：锆合金的低周疲劳行为研究用透射电子显微镜研究了疲劳试样的亚结构。结果表