變形量對(duì)Zr-4合金管材性能影響

供稿|劉蕾，華建社，于軍輝，李小寧，俞海平 / LIU Lei, , HUA Jian-she,YU Jun-hui , LI Xiao-ning , YU Hai-ping

內(nèi)容導(dǎo)讀

鋯及鋯合金在核電站水冷動(dòng)力堆的包殼管和堆芯結(jié)構(gòu)材料中具有廣泛的應(yīng)用前景。文章研究了變形量分別為55%和60%的Zr-4合金管材力學(xué)、均勻腐蝕及氫化物取向性能。結(jié)果表明：55%變形量的Zr-4管材的室溫拉伸性能中抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度高于60%變形量的Zr-4管材。55%變形量的Zr-4合金管材的高溫(316 ℃)拉伸性能中抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率波動(dòng)小于60%變形量的的Zr-4管材。變形量為60%的Zr-4合金管材均勻腐蝕和氫化物取向因子測(cè)試結(jié)果略低于變形量55%的Zr-4管材。

隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，反應(yīng)堆用核結(jié)構(gòu)材料日益受到人們的關(guān)注。鋯及鋯合金的熱中子吸收截面小，且具有良好的加工性能以及同UO2的相容性，尤其在高溫水、高溫水蒸氣的服役條件下也具有良好的耐蝕性能和足夠的熱強(qiáng)性，因此在核電站水冷動(dòng)力堆的包殼管和堆芯結(jié)構(gòu)材料中存在著廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。為了進(jìn)一步提高燃料的燃耗，降低核材料的循環(huán)成本，提高堆芯冷卻水溫以及改進(jìn)反應(yīng)堆的熱效率，本文研究了兩種不同變形量的Zr-4合金管材生產(chǎn)工藝的高溫和室溫下的力學(xué)性能、腐蝕性能以及氫化物性能，為選擇適宜的冷軋變形量提供了依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料均為Zr-4合金管材，合金成分見表1。Zr-4合金管材材料進(jìn)行變形量分別為55%和60%冷軋，經(jīng)相同條件的退火、矯直、拋光等精整處理制備成試樣。按GB/T 228.1標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)管材的室溫拉伸性能；按GB/T 4338的標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)管材的高溫(316 ℃)拉伸性能；按照ASTM G2M的標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)管材的腐蝕性能；按照ASTM B811-02的標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)元素的氫化物分布。每組實(shí)驗(yàn)選取三個(gè)試樣，實(shí)驗(yàn)完成后繪制相應(yīng)的結(jié)果分布圖。

結(jié)果與分析

變形量對(duì)力學(xué)性能的影響

Zr-4合金管材兩種變形量下室溫拉伸性能如圖1所示。從圖1(a)和圖1(b)可見，55%變形量下的Zr-4合金管材的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比60%變形量下的高，且55%變形量下Zr-4合金管材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)值相對(duì)存在一定波動(dòng)。從圖1(c)中可見，55%變形量和60%變形量下的Zr-4合金管材延伸率平均值差異并不顯著，但55%變形量下管材延伸率存在一定波動(dòng)。造成這種現(xiàn)象的原因有：(1)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)過程可能會(huì)造成兩者室溫拉伸性能發(fā)生波動(dòng)；(2)大變形量下的管材存儲(chǔ)的位錯(cuò)能和應(yīng)變性較多，在后續(xù)經(jīng)退火處理，這些應(yīng)變能能夠釋放甚至消除，而相同退火條件下，相對(duì)較小的變形量條件下，其軋制產(chǎn)生的應(yīng)變能還沒有消除，故在室溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)55%變形量下Zr-4合金管材強(qiáng)度大于60%變形量下Zr-4合金管材的現(xiàn)象。

表1 Zr-4合金管材主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 Zr-4合金管材55%、60%變形量對(duì)室溫拉伸性能影響關(guān)系圖

兩種變形量下Zr-4合金管材的試樣高溫(316 ℃)拉伸性能如圖2所示。從圖2可以看出，55%變形量下Zr-4合金管材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率相對(duì)波動(dòng)較小。從圖2(a)可見，Zr-4合金管材在55%變形量下抗拉強(qiáng)度基本在500 MPa上下浮動(dòng)，而60%變形量下在480～490 MPa之間，且55%變形量下高溫(316℃)拉伸抗拉強(qiáng)度數(shù)值明顯比60%變形量下高，而兩者的屈服強(qiáng)度和延伸率均存在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)的情況，但55%變形量下Zr-4合金管材屈服強(qiáng)度和延伸率波動(dòng)相對(duì)較小。出現(xiàn)兩種變形量下316 ℃的高溫拉伸性能相差不大的現(xiàn)象是由于55%、60%兩種變形量相差不大，其退火后殘余在基體的應(yīng)變能在316 ℃的高溫實(shí)驗(yàn)條件下可部分釋放(不同于再結(jié)晶態(tài)的完全釋放)。

圖2 55%、60%變形量對(duì)高溫(316 ℃)拉伸性能影響關(guān)系圖

變形量對(duì)腐蝕性能的影響

圖3 變形量對(duì)均勻腐蝕的影響關(guān)系圖

兩種變形量下Zr-4合金管材試樣均勻腐蝕表面均為黑光亮，均勻腐蝕結(jié)果數(shù)值如圖3所示。從圖3可以看出，55%變形量下Zr-4合金管材的均勻腐蝕數(shù)值在15.89～16.68 mg/dm2之間，而60%變形量下Zr-4合金管材的均勻腐蝕在15.88～16.16 mg/dm2之間，兩種不同變形量下的均勻腐蝕結(jié)果還是存在細(xì)微的差異，排除實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的影響因素，60%變形量下Zr-4合金管材均勻腐蝕結(jié)果偏低可能是由于變形量越大，其晶粒破碎相對(duì)越嚴(yán)重，從而在微觀上表現(xiàn)為晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)能越高，晶粒間存在的殘余應(yīng)力越大。當(dāng)這些細(xì)小晶粒、殘余的位錯(cuò)能和殘余應(yīng)力保留在Zr-4合金管材表面時(shí)，可以在其表面增加微小的界面，這些微小的界面可以與Zr-4合金管材基體內(nèi)部的殘余應(yīng)力一起調(diào)節(jié)Zr-4合金管材表面氧化膜的內(nèi)應(yīng)力，另一方面作為空位等缺陷的尾閭，破獲空位而延緩孔隙簇的形成和裂紋的發(fā)展，從而改善Zr-4合金管材耐腐蝕性能[4]。

變形量對(duì)氫化物的影響

圖4 變形量對(duì)氫化物取向因子F40 N影響關(guān)系圖

Zr-4合金管材兩種變形量下氫化物取向檢測(cè)數(shù)值如圖4所示。從圖4中可以見，55%變形量下Zr-4合金管材氫化物取向因子F40N檢測(cè)結(jié)果在0.14～0.17之間，60%變形量下Zr-4合金管材氫化物取向因子F40N檢測(cè)結(jié)果在0.13～0.20之間。55%變形量下Zr-4合金管材的氫化物取向因子平均值比60%變形量下Zr-4合金管材略低。Zr-4合金管材氫化物的分布和形態(tài)問題較為復(fù)雜，目前普遍認(rèn)為Zr-4合金管材變形過程中的織構(gòu)是決定氫化物取向的主要因素，其變形量越大，對(duì)應(yīng)的管材減壁率和減徑率的比值越大，導(dǎo)致氫化物取向因子越大[5]，從而會(huì)出現(xiàn)變形量為60%的Zr-4合金管材的氫化物取向因子平均值比55%的Zr-4合金管材氫化物數(shù)值略大的現(xiàn)象。

結(jié)束語

(1) 相同條件下，55%變形量下的Zr-4合金管材比60%變形量下的Zr-4合金管材的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度數(shù)值要高，且55%變形量下Zr-4合金管材的三個(gè)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)值波動(dòng)較大。

(2) 55%變形量下的Zr-4合金管材比60%變形量下的Zr-4合金管材的高溫(316℃)拉伸的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率波動(dòng)較小。

(3) 60%變形量下Zr-4合金管材均勻腐蝕結(jié)果比變形量55%的Zr-4合金管材低。

(4) 55%變形量下Zr-4合金管材的氫化物取向因子平均值比60%變形量下Zr-4合金管材氫化物數(shù)值低。