n18合金低周疲劳行为研究

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1、西华大学硕士学位论文N18合金的低周疲劳行为研究材料加工工程专业研究生：孙超指导教师：刘锦云副教授，李聪副研究员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。要增强核电的竞争实力，就要降低核电的成本，提高核电的经济性，这就要求增加燃料的燃耗、提高冷却剂的温度并调整冷却剂的PH值，即燃料包壳

2、的工况变得更为苛刻。为此，各国纷纷开展新型锆合金的研制及应用研究，如美国的z瓜LO合金，俄罗斯的E635合金，法国的M4、M5合金，日本的NDA合金，我国的N18、N36合金等。本文采用对称拉压循环变形方法但。；岛．。／岛。。=一1)，系统研究了不同温度(室温、200℃、300℃、400℃)、氢(含氢量分别为300¨∥g和450“∥g)对N18合金低周疲劳性能的影响，N18合金的循环变形行为，采用Cottrell方法对滞后回线进行了分析，得出了温度和氢对循环变形中内应力的影响规律，并结合疲劳寿命曲线、循环应力一应变曲线

3、以及疲劳断口的分析结果，深入探讨了温度、氢对N18合金低周疲劳行为的影响机理。本文的主要研究结果如下：(1)含氢N18合金和N18合金在不同温度下低周疲劳寿命Ⅳ，随着塑两牛入学顾卜学位论文性应变范围△8。的增加而降低，并遵循Comn—MaIlson关系：Ⅳ，4△￡。=cl。在低应变幅区，合金在室温下的低周疲劳性能优于高温下的性能，但随着应变幅的增加，室温和400℃下合金的疲劳寿命趋于接近。这可能是N18合金在400℃下发生了动态应变时效。低氢含量N18合金的疲劳寿命比高氢含量N18合金的疲劳寿命长。氢化锆降低锆合金低周

4、疲劳寿命的原因是脆性的氢化锆会使锆合金的塑性下降。(2)N18合金在400℃高温下。其循环稳定滞后回线出现锯齿状波形，即出现Portevin．LeChatelier效应。且在400℃高温下，合金表现出与常温下不同的循环特性，呈现出一致循环硬化的现象。这主要是因为合金在400℃高温下发生动态应变时效效应的结果。随着温度的升高，屈服和抗拉强度下降。室温下，含氢N18合金板材在高应变幅下为循环硬化，在低应变幅下为循环软化。氢化锆对N18合金的循环变形行为有影响。氢含量对N18合金循环硬化与软化的影响存在一临界值，当氢含量超过

5、此临界值后，氢化钻对N18合金的循环硬化与软化不再产生影响。(3)含氢N18合金和在不同温度下N18合金在不同温度下循环饱和应力盯，和背应力盯。随塑性应变幅占。的增加而增大，并且分别满足乘幂关系盯，=K5占。“和对数关系％=世6lns。+c6。在不同的温度下从低应变幅到高应变幅，％的变化幅度不大；而吒的变化则是十分的明显。室温下，氢化锆对N18合金的摩擦应力有影响。氢化锆对N18合金的背应力，没有影响。(4)和室温一样，高温裂纹扩展区也是有撕裂区和平滑区构成，在室温下，疲劳裂纹扩展阶段的微观特征是疲劳条纹和少量的二次裂

6、纹。室温下，疲劳起源于单个裂纹源，在高温下则为多个裂纹源。在高温下，N18合金疲劳断口局部出现韧窝形断裂，并出现细小的二次裂纹，大量二次裂纹的存在是400℃疲劳断口的主要特征。在400℃高温下，整个断口上观察不到疲劳辉纹，或有很少量的疲劳辉纹，这主要是由于N18合金在高温时被氧化，使得疲劳辉纹形貌遭到破坏所致。含氢N18合金疲劳裂纹均起源于试样圆弧的根部，在裂纹起源的区域无明显特征。裂纹的扩展区为穿晶断裂，由撕裂区和平滑区组成。撕裂区呈现准解理特征。平滑区出西华大学硕十学位论文现疲劳辉纹或轮胎状花样。在裂纹扩展区还出现

7、了二次裂纹，二次裂纹基本上与主裂纹扩展方向垂直。含氢N18合金随氢含量的增加，二次裂纹数量增多且更为明显，疲劳断口特征呈脆化趋势。关键词：锆合金；温度；氢化锆；低周疲劳；循环变形；摩擦应力；背应力西华大学硕士学位论文ADissenatioⅡSubmittedtoXjhuaUⅡiversityfortheDegreeofMasteriⅡEⅡgineeringstudyonLow-CycleFatigueforNl8AlloysMajor：MaterialsprocessingScienceCaⅡdidate：SUNCha

8、oSuperVisor：AssociateProf．LIUJiⅡ一YuⅡ，aⅡdAssociateResearcher_LICongAbstractzirconiumalloysareemploycdcxtensivelyin1i曲twatercooledreactors(LwR)astllecladdingmaterialsof