淺談加工工藝對鋯合金微觀結(jié)構(gòu)及力學性能的影響

摘? 要：本文將結(jié)合鋯合金微觀結(jié)構(gòu)及合金性能和使用方向，對鋯合金在在常規(guī)室溫下的拉伸、高溫下拉伸高溫蒸汽腐蝕進行分析說明。以理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)入手，研究了鋯合金在不同變形量、Q值和熱處理環(huán)境下微觀組織、力學性能及組織結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：鋯合金加工;微觀結(jié)構(gòu);力學;性能影響

1.鋯合金微觀結(jié)構(gòu)即力學性能分析的作用意義

鋯合金作為核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)中綜合性能十分優(yōu)良的熱中子，在實際應(yīng)用的過程中，有著較為可靠的力學延展性，并在高溫或是蒸汽的環(huán)境中，積極對抗核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)中的中子，展現(xiàn)出更為良好的輻照性能。不僅如此，鋯合金結(jié)構(gòu)材料在過往的應(yīng)用研究中，也有著優(yōu)質(zhì)的可塑性和加工性。多種優(yōu)勢條件的共同影響下，不斷提升著鋯合金結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍。

核反應(yīng)堆內(nèi)部工況十分復(fù)雜，對鋯合金鑄造的一些包殼管強度要求相當高。

因此，在對鋯合金進行實際運用的過程中，不僅要確保結(jié)構(gòu)組件自身的質(zhì)量水平，還要保障鋯合金組件在力學性能上可以達到最大的承受范圍。在過往的核反應(yīng)堆操作中，常對鋯合金組件的結(jié)構(gòu)強度和力學性能等進行檢驗^[1]。同時鋯合金的強度提升在一定程度上也提高了核電站的經(jīng)濟效益，降低了運營成本和發(fā)電成本。由此可見，作為核反應(yīng)堆中鋯合金材料的應(yīng)用中，常作為燃料包殼進行使用，因而鋯合金自身的組織架構(gòu)性能會手應(yīng)力腐蝕以及水側(cè)腐蝕有著十分密切的聯(lián)系，甚至會直接影響鋯合金中氫化物的質(zhì)量。所以在鋯合金的研究與開發(fā)使用中，力學性能、微觀組織及組織結(jié)構(gòu)的研究和控制具有舉足輕重的影響。

基于以上幾點內(nèi)容，本文在對加工工藝對鋯合金微觀結(jié)構(gòu)及力學性能的影響研究中，根據(jù)鋯合金在不同熱處理情況下所產(chǎn)生的變量，以及組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學性能變化都作出了深入的分析和研究，旨在為核反應(yīng)堆鋯合金未來加工工藝的生產(chǎn)作出重要和科學的理論依據(jù)。

2.實驗的原理

在對鋯合金組件采取了冷加工等相應(yīng)的加工處理方式，并對不同熱處理環(huán)境下的鋯合金組件結(jié)構(gòu)變形情況，進行了組織構(gòu)建力學性能變化以及顯微組織的對比分析。具體內(nèi)容如下表所示：

3.實驗的結(jié)果分析與討論

3.1力學性能變化以及顯微組織的影響結(jié)果

在對鋯合金組件進行熱處理和工藝加工后，鋯合金管材自身結(jié)構(gòu)纏身了一定的變化，在對其力學性能進行分析后發(fā)現(xiàn)，鋯合金組件在相同的變形條件和統(tǒng)一的溫度環(huán)境下，對鋯合金組件的進行屈服強度和抗拉強度進行觀察分析發(fā)現(xiàn)，在真空退火溫度不斷升高的過程中，鋯合金組件的兩項強度均存在下降趨勢，而斷面的伸長率方面，則卻呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢。具體內(nèi)容如下表所示：

不僅如此，加工工藝對鋯合金微觀結(jié)構(gòu)及力學性能分析的過程中，還需要對其顯微組織在結(jié)構(gòu)變化中的內(nèi)容進行深入分析和探討。簡言之，在鋯合金組件力學性能變化的研究中發(fā)現(xiàn)，在480攝氏度的退火溫度下，鋯合金不能完成再結(jié)晶，其結(jié)構(gòu)組織也仍處于晶粒拉長且破碎的狀態(tài)中。盡管鋯合金機構(gòu)組織中仍存在者晶格畸變的情況，且組織中的錯位和缺陷逐漸減少^[2]。盡管如此，金屬在進一步滑移的過程中，仍存在較大的阻力，且可塑性程度不高，由此可見，鋯合金組件在溫度不斷變化的過程中，其自身的力學性能會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

與此同時，本研究也對顯微組織的影響結(jié)果進行了進一步的分析。根據(jù)實驗結(jié)果顯示，在隨著溫度不斷變化升高的過程中，結(jié)晶的情況開術(shù)出現(xiàn)，且軋制態(tài)組織出現(xiàn)明顯的消失現(xiàn)象。在退火溫度大于510攝氏度的分解點，其鋯合金組件結(jié)構(gòu)中的屈服強度和抗拉強度都出現(xiàn)了明顯下降的趨勢。由此可見，在對結(jié)構(gòu)中顯微組織的觀察中發(fā)現(xiàn)，鋯合金結(jié)構(gòu)在溫度不斷升高的過程中，其變形金屬中的存儲能力也出現(xiàn)了降低現(xiàn)象^[3]。這也是影響鋯合金組件在核反應(yīng)堆中的重要影響因素之一。

3.2變形方式及退火對結(jié)構(gòu)的影響

通過上述實驗研究內(nèi)容及結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鋯合金組件不斷變形的過分中，鋯合金管材在溫度實驗溫度的不斷升高，其組織結(jié)構(gòu)不僅會在退火過程中出現(xiàn)結(jié)晶的狀態(tài)，并會在溫度不斷勝過的過程中，屈服強度和抗拉強度也會呈現(xiàn)變化。不僅如此，在對軋制變形前和變形后進行切向角度分析的過程中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)晶體會在于基軸形成一定的切角，切向中的氫氧化物則會與基極之間形成結(jié)構(gòu)對應(yīng)。

不僅如此，在對鋯合金組件管材進行軋制變形的過程中，鋯合金管材也會隨著退火的過程和時間的推移，出現(xiàn)較為明顯的變形，并有向基軸逐漸靠攏的趨勢。

4.研究結(jié)果

首先較大變量的鋯合金在510℃/3.5小時就已經(jīng)發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，抗拉強度和屈服強度都會有很明顯的下降，塑性上升還是比較明顯的。其次當退火溫度大于510℃，隨著退火溫度的不斷升高，鋯合金的抗拉強度和屈服強度會略有下降，下降趨勢比較平緩，塑性上升也是比較平緩。最后為了得到合理的組織構(gòu)造，鋯合金在加工過程中Q值應(yīng)大于遠1.2，理想的Q值應(yīng)為1.8或更大。

5.結(jié)語

綜上所述，鋯合金組件管材作為核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料中的重要組成部分，不僅關(guān)乎著鋯合金自身在未來行業(yè)中的發(fā)展，更多我國核事業(yè)的進一步提升有著不可忽視的重要作用。而通過對核用鋯合金在加工工藝中微觀結(jié)構(gòu)及力學性能的進一步實驗研究和分析發(fā)現(xiàn)，在不同的高溫中對鋯合金組件管材進行退火，其組件結(jié)構(gòu)和力學性能會出現(xiàn)不同的強度變化，進一步影響著鋯合金組件的應(yīng)用。由此可見，在未來行業(yè)的發(fā)展中，需要行業(yè)相關(guān)人員進行深入的研究和分析。

參考文獻

[1]? 劉建章.我國鋯及鋯合金材料及其加工的進展[R].中國有色金屬學會第三屆學術(shù)會議論文集，2007：291-296.

[2]? 俞漢青，陳金德.金屬塑性成型原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]? 彭 倩，沈保羅.鋯及鋯合金的組構(gòu)及其對性能的影響[J].稀有金屬，2005（6）：903-907

作者簡介：周堯，男，1984.03.07，河南鞏義，本科，研究方向：鋯及鋯合金材料方面和質(zhì)量無損檢測方面。