國(guó)產(chǎn)新鋯合金疲勞性能研究

吳 婧，楊忠波，朱其猛，劉然超，梁 波

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

由于鋯的熱中子吸收截面小，并具有優(yōu)異的耐高溫水腐蝕性能、良好的綜合力學(xué)性能和理想的熱導(dǎo)率，因此，鋯合金被用作核電廠水冷動(dòng)力堆核燃料元件的包殼材料和堆芯的其他結(jié)構(gòu)材料。

核反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，鋯合金包殼的內(nèi)表面在約673 K的高溫條件下服役，而外包殼由冷卻水包圍。由于外包殼的服役載荷相對(duì)于內(nèi)包殼較大，所以需要對(duì)內(nèi)包殼進(jìn)行充氦氣，氦氣的壓力需要稍微小于外包殼冷卻水的壓力。包殼內(nèi)部隨著核燃料的燃燒，內(nèi)部的壓力會(huì)進(jìn)一步加大，基于電網(wǎng)的載荷波動(dòng)以及頻率的控制，內(nèi)部芯塊的燃燒率需要進(jìn)行一定的控制，從而包殼內(nèi)部的氣壓也隨著產(chǎn)生一定的波動(dòng)，鋯合金包殼承受一定的循環(huán)載荷。燃料芯塊與包殼接觸燃燒時(shí)，隨即產(chǎn)生的氣體對(duì)包殼的沖擊作用更為明顯，即會(huì)產(chǎn)生更為明顯的循環(huán)載荷，因此在對(duì)于鋯合金包殼設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須要考慮包殼的疲勞性能，留有足夠的疲勞壽命余量。另外對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)的其他構(gòu)件例如鋯合金管道也會(huì)因?yàn)槎讶紵β实牟▌?dòng)和水冷卻介質(zhì)的流動(dòng)發(fā)生明顯的循環(huán)變形。

目前國(guó)內(nèi)使用的鋯合金多依賴(lài)于進(jìn)口，隨著國(guó)產(chǎn)鋯合金的成功研發(fā)，國(guó)產(chǎn)新型鋯合金將用于堆內(nèi)包殼以及其他管道構(gòu)件的生產(chǎn)，如上所述這些包殼要承受復(fù)雜的交變載荷的作用，在極端情況下出現(xiàn)破裂。因此需要對(duì)國(guó)產(chǎn)新鋯合金的疲勞性能進(jìn)行研究。

本文對(duì)SZA-4和SZA-6兩種成分的鋯合金板材進(jìn)行了疲勞性能研究。本文研究結(jié)果將為新鋯合金成分優(yōu)化與驗(yàn)證提供參考，獲得全面的堆外應(yīng)用性能數(shù)據(jù)，完成鋯合金堆外性能評(píng)價(jià)，為建立鋯合金應(yīng)用性能數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為國(guó)核寶鈦鋯合金股份公司提供的SZA-4和SZA-6兩種成分國(guó)產(chǎn)新鋯合金板材，其主要成分見(jiàn)表1，狀態(tài)為再結(jié)晶態(tài)。

表1 國(guó)產(chǎn)新鋯合金主要成分Table 1 Main compositions of new domestic zirconium alloys 單位：%

1.2 試樣制備

疲勞試樣采用如圖1所示的漏斗型板材試樣。試樣厚度為3.9 mm，總長(zhǎng)133 mm，漏斗部分半徑為100 mm，中間最窄部分寬度為10 mm。

圖1 高周疲勞試樣Fig.1 High cycle fatigue specimen

1.3 試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3075—2008 《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》。試驗(yàn)設(shè)備：GPS100型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)；試驗(yàn)環(huán)境：320 ℃、343 ℃及385 ℃空氣；加載方式：拉-拉；試驗(yàn)頻率：4 500 r/min；試驗(yàn)失效方式：斷裂或循環(huán)周次107以上；控制因素：載荷；最小應(yīng)力恒定為20 MPa；疲勞極限的確定方式采用單點(diǎn)試驗(yàn)法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力-壽命(S-N)曲線

圖2～圖7是根據(jù)2種新鋯合金疲勞試驗(yàn)結(jié)果所作的320 ℃、343 ℃和385 ℃的S-N曲線。由圖可知，當(dāng)試樣承受的試驗(yàn)應(yīng)力越小時(shí)，斷裂時(shí)的疲勞壽命越大。

圖2 SZA-4合金板在320 ℃時(shí)的S-N曲線Fig.2 S-N curve of SZA-4 alloy plate at 320℃

圖3 SZA-4合金板在343 ℃時(shí)的S-N曲線Fig.3 S-N curve of SZA-4 alloy plate at 343℃

圖4 SZA-4合金板在385 ℃時(shí)的S-N曲線Fig.4 S-N curve of SZA-4 alloy plate at 385℃

圖5 SZA-6合金板在320 ℃時(shí)的S-N曲線Fig.5 S-N curve of SZA-6 alloy plate at 320℃

圖6 SZA-6合金板在343 ℃時(shí)的S-N曲線Fig.6 S-N curve of SZA-6 alloy plate at 343℃

圖7 SZA-6合金板在385 ℃時(shí)的S-N曲線Fig.7 S-N curve of SZA-6 alloy plate at 385℃

2.2 疲勞極限

根據(jù)單點(diǎn)試驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到SZA-4、SZA-6兩種材料在320 ℃、343 ℃和385 ℃時(shí)的疲勞極限σ20 MPa(107)(最小應(yīng)力為20 MPa、107循環(huán)次數(shù)壽命時(shí)的疲勞極限)，如表2所示。

表2 新鋯合金板疲勞極限Table 2 The fatigue limits of new zirconium alloy plates

2.3 疲勞斷口

對(duì)斷裂后的斷口形貌進(jìn)行觀察和分析，試驗(yàn)后試樣表面有氧化色，表面試樣存在氧化現(xiàn)象。采用SEM對(duì)斷口形貌進(jìn)行微觀分析，得到圖8～圖13，可發(fā)現(xiàn)多個(gè)裂紋源，疲勞裂紋萌生于試樣外表面(圖8a、圖9a、圖10a、圖11a、圖12a、圖13a)。疲勞擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)典型的疲勞條紋(圖8b、圖9b 、圖10b 、圖11b、圖12b、圖13b)。斷裂區(qū)微觀形貌主要表現(xiàn)為韌窩(圖12c)，

圖8 SZA-4合金板在320℃時(shí)的疲勞斷口Fig.8 The fatigue fracture of SZA-4 alloy plate at 320℃

圖9 SZA-4合金板在343℃時(shí)的疲勞斷口Fig.9 The fatigue fracture of SZA-4 alloy plate at 343℃

圖10 SZA-4合金板在385 ℃時(shí)的疲勞斷口Fig.10 The fatigue fracture of SZA-4 alloy plate at 385℃

圖11 SZA-6合金板在320 ℃時(shí)的疲勞斷口Fig.11 The fatigue fracture of SZA-6 alloy plate at 320℃

圖12 SZA-6合金板在343℃時(shí)的疲勞斷口Fig.12 The fatigue fracture of SZA-6 alloy plate at 343℃

圖13 SZA-6合金板在385 ℃時(shí)的疲勞斷口Fig.13 The fatigue fracture of SZA-6 alloy plate at 385℃

3 分析討論

根據(jù)S-N曲線以及疲勞極限，可以看出：SZA-4和SZA-6兩種材料在320℃時(shí)的疲勞極限相同；SZA-4在343℃和385℃時(shí)的疲勞極限相同；SZA-6在343℃和385℃時(shí)的疲勞極限相同；當(dāng)溫度從320℃升高到343℃時(shí)SZA-4的疲勞極限下降得比SZA-6多，反映了SZA-4的疲勞極限下降趨勢(shì)對(duì)溫度的敏感性比SZA-6高；當(dāng)溫度從343℃升高到385℃時(shí)SZA-4和SZA-6的疲勞極限均沒(méi)有繼續(xù)降低，說(shuō)明SZA-4和SZA-6都存在動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效溫區(qū)，且343℃到385℃在這個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)效應(yīng)變溫區(qū)范圍內(nèi)。

對(duì)試樣的表面存在氧化現(xiàn)象是由于在高溫下，空氣作為氧化性氣體將在試樣表面產(chǎn)生氧化物，在循環(huán)載荷的作用下，表面氧化膜與基體的變形不協(xié)調(diào)將發(fā)生破裂，露出的新鮮表面再次被氧化和破裂，成為優(yōu)先萌生裂紋的位置。對(duì)于斷口中呈現(xiàn)出的典型疲勞條紋，在恒定的外加循環(huán)載荷下，裂紋尖端不斷滑移而鈍化以及氧化，使裂紋在每次循環(huán)中擴(kuò)展一個(gè)條帶寬度；這樣每循環(huán)一次裂紋就向前擴(kuò)展一個(gè)疲勞條帶寬度，形成氧化后的疲勞條紋形貌。表明疲勞試樣最后的斷裂方式為典型的微孔聚集型韌性斷裂，韌窩表現(xiàn)為拋物線孔坑。

4 結(jié)論

(1)SZA-4和SZA-6在343 ℃與385 ℃狀態(tài)下的疲勞極限相對(duì)于320 ℃狀態(tài)由明顯降低，但SZA-4疲勞極限對(duì)溫度的敏感性更高，降低幅度更為明顯，達(dá)到30 MPa，SZA-6下降幅度僅為20 MPa。

(2)SZA-4和SZA-6在343 ℃與385 ℃狀態(tài)下的疲勞極限均相同，溫度的升高對(duì)它們的疲勞極限影響可以忽視，表明SZA-4和SZA-6都存在動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效溫區(qū)，且343 ℃到385 ℃在這個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)效應(yīng)變溫區(qū)范圍內(nèi)。

(3)SZA-4與SZA-6鋯合金疲勞斷裂過(guò)程為裂紋源產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展、斷裂，呈現(xiàn)出典型的疲勞斷裂圍觀特征，但疲勞過(guò)程中裂紋均伴隨著氧化現(xiàn)象。