徑向壓扁變形對Zr-4合金管材氫化物取向的影響

佟昕昕，王 強(qiáng)，袁改煥，儲(chǔ)林華，張?zhí)鞆V，麻 凱

(1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)(2.國核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西 寶雞 721013)(3.陜西省核級鋯材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)(4.國家能源核級鋯材研發(fā)中心，陜西 寶雞 721013)

0 引 言

Zr-4合金具有熱中子吸收截面小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、加工成形性優(yōu)良、抗高溫水及蒸汽腐蝕能力強(qiáng)、與UO2相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是水冷核反應(yīng)堆重要的包殼材料[1-2]。

鋯對氫具有很高的活性，鋯管在反應(yīng)堆中很容易吸氫，但氫在鋯中的固溶度較低，多余的氫會(huì)以氫化物的形式析出。氫化物屬脆性相，會(huì)使鋯管韌性下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鋯管產(chǎn)生“氫脆”破損。氫脆現(xiàn)象的發(fā)生與氫化物的取向有著密切關(guān)系，呈徑向分布的氫化物容易導(dǎo)致鋯管破損。Zr-4合金管材出廠前均須進(jìn)行校直處理[3-4]，常用的方法為斜輥式矯直法，其工作原理是在成對布置的斜輥組合作用下，實(shí)現(xiàn)鋯合金管材的旋轉(zhuǎn)前行，這個(gè)過程中，鋯合金管材會(huì)受到連續(xù)不斷的反復(fù)彎曲及壓扁變形，使鋯合金管材變得平直。已有研究表明[5-6],矯直會(huì)改變鋯合金管材的氫化物取向，但在鋯合金管材矯直過程中，徑向壓力對管材氫化物取向的具體影響尚不清楚。本研究通過對Zr-4合金管材徑向施加單次及多次交變壓扁變形的方式，研究壓扁量及壓扁次數(shù)對氫化物取向因子的影響，為該合金矯直工藝優(yōu)化提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為國核寶鈦鋯業(yè)股份公司提供的Zr-4合金管材，其規(guī)格為φ10 mm×0.7 mm ，化學(xué)成分見表1。該管材經(jīng)冷軋加工而成，并在545 ℃進(jìn)行了真空退火處理。退火后管材抗拉強(qiáng)度Rm為541 MPa,屈服強(qiáng)度RP0.2為401 MPa,延伸率A50為27.8%。圖1為Zr-4合金管材的金相照片，可以看出其橫、縱向組織均為退火后的再結(jié)晶組織。從管材上截取壓扁試樣，長度為15 mm。

表1 Zr-4合金管材化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of Zr-4 alloy tube

圖1 Zr-4合金管材金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of Zr-4 alloy tube：(a)transverse direction；(b)longitudinal direction

1.2 壓扁試驗(yàn)

制作2個(gè)表面光潔的平面壓板，分別安裝在WDW-100型萬能試驗(yàn)機(jī)底部的基準(zhǔn)平臺和上部可上下移動(dòng)的動(dòng)力橫梁接口上，組裝成一個(gè)試驗(yàn)平臺(上下壓板均平行于水平面)，用于開展壓扁試驗(yàn)。圖2為壓扁試驗(yàn)平臺示意圖。

圖2 壓扁試驗(yàn)平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of flattening test platform

將試樣放置在壓扁試驗(yàn)平臺上，分別進(jìn)行壓扁量為0.3、0.6、0.9 mm的壓扁變形，達(dá)到設(shè)定值后卸載，完成1次壓扁。變形后管材高向直徑分別為9.7、9.4、9.1 mm。壓扁后，將試樣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，進(jìn)行2次壓扁。同樣方法完成3次、4次壓扁，每次壓板間距均一致。

1.3 滲氫及氫化物取向因子測定

采用氫氣吸附方法滲氫。將Zr-4合金試樣放入石英管中，通入氫氬混合氣體(1.0～1.8% H2，其余為Ar)，氣體流速50 mL/min。將石英管放入加熱爐內(nèi)，在(400±20)℃下保溫4 h。滲氫后，沿Zr-4合金管材橫向截取金相試樣，用萊卡DM2500M型光學(xué)顯微鏡觀察氫化物分布情況。參考ASTM B811標(biāo)準(zhǔn)，將管材橫截面沿整個(gè)壁厚方向等分3層(外、中、內(nèi))，用測量軟件分別統(tǒng)計(jì)出外、中、內(nèi)3個(gè)區(qū)域內(nèi)所有氫化物的數(shù)量和長度總和，計(jì)算氫化物取向因子Fn。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓扁變形時(shí)的受力分析

壓扁變形時(shí)，圓管各個(gè)部位引起的應(yīng)力是不一樣的，最大受力點(diǎn)為圖3中A點(diǎn)和B點(diǎn)，A點(diǎn)受到垂直向下的作用力；B點(diǎn)受到水平向左的作用力。因此本研究只對這2個(gè)部位不同區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖3 圓管最大受力點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the maximum force point of the round tube

圖4為圓管橫截面上A點(diǎn)和B點(diǎn)的應(yīng)力分布示意圖。在徑向外力作用下，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別產(chǎn)生向內(nèi)和向外彎曲的2個(gè)力矩，隨著壓扁量的增加，在這2個(gè)力矩最大作用點(diǎn)處的B點(diǎn)曲率逐漸增大、A點(diǎn)曲率逐漸減小，圓管逐漸變成橢圓形。在這一過程中，因管壁各處產(chǎn)生的變形方向及變形程度不同，所引起的內(nèi)應(yīng)力大小、方向也不同。A點(diǎn)橫截面中性層以外部分受壓應(yīng)力作用，以內(nèi)部分受拉應(yīng)力作用；B點(diǎn)則相反，中性層以外部分受拉應(yīng)力作用，以內(nèi)部分受壓應(yīng)力作用。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到某處材料屈服極限時(shí)，該處將產(chǎn)生塑性變形。

圖4 圓管橫截面上A點(diǎn)和B點(diǎn)的應(yīng)力分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of stress distribution at point A and point B on the cross section of the round tube

2.2 壓扁量對氫化物取向因子的影響

表2、表3分別為不同壓扁量下A點(diǎn)和B點(diǎn)的氫化物取向因子。圖5為不同壓扁量下Zr-4合金管材的氫化物分布照片。從表2、表3可看出，當(dāng)壓扁量較小時(shí)，無論是受壓應(yīng)力還是受拉應(yīng)力的作用，A點(diǎn)和B點(diǎn)的氫化物取向均不發(fā)生變化。隨著壓扁量逐漸增大，內(nèi)、中、外3個(gè)區(qū)域氫化物取向的變化各不相同；受壓應(yīng)力作用的區(qū)域，氫化物取向因子基本不隨壓扁量的增加而改變，這說明氫化物應(yīng)力再取向?qū)簯?yīng)力不敏感；但受拉應(yīng)力作用區(qū)域，氫化物取向因子隨壓扁量增加而增大，當(dāng)壓扁量達(dá)0.9 mm時(shí)，A點(diǎn)內(nèi)層的氫化物取向因子值為0.22，B點(diǎn)外層的氫化物取向因子值為0.36，增加顯著。這說明，變形較大時(shí)，在內(nèi)層、外層形成的周向拉應(yīng)力已經(jīng)到達(dá)氫化物應(yīng)力轉(zhuǎn)動(dòng)析出的最低閾值，使氫化物產(chǎn)生了應(yīng)力取向析出；B點(diǎn)外層比A點(diǎn)內(nèi)層氫化物取向因子值大，主要是受原始?xì)浠餇顩r、拉應(yīng)力大小、應(yīng)力轉(zhuǎn)動(dòng)閾值等不一樣的影響所致。中間層同時(shí)受到拉、壓應(yīng)力作用，但因應(yīng)力水平較低，故對氫化物取向基本不產(chǎn)生影響。從圖5也可明顯看出，壓扁后內(nèi)、外層徑向氫化物較變形前明顯增多。結(jié)合表2、表3可以看出，氫化物取向因子隨內(nèi)、外層氫化物的增加而相應(yīng)提高。

表2不同壓扁量下Zr-4合金管材A點(diǎn)的氫化物取向因子

Table 2 Hydride orientation factors of Zr-4 alloy tubes at point A under different flattening amounts

表3不同壓扁量下Zr-4合金管材B點(diǎn)的氫化物取向因子

Table 3 Hydride orientation factors of Zr-4 alloy tubes at point B under different flattening amounts

圖5 不同壓扁量下Zr-4合金管材的氫化物分布照片F(xiàn)ig.5 Hydride distribution metallographs of Zr-4 alloy tubes under different flattening amounts:(a)0 mm;(b)0.9mm,point A;(c)0.9mm,point B

2.3 壓扁次數(shù)對氫化物取向的影響

壓扁次數(shù)對Zr-4合金管材氫化物取向因子的影響(B點(diǎn))如圖6所示。

圖6 壓扁次數(shù)對氫化物取向因子的影響(B點(diǎn))Fig.6 Effect of flattening times on hydride orientation factors(point B)

從圖6可看出，壓扁量為0.3 mm時(shí)，壓扁次數(shù)對氫化物取向因子基本不產(chǎn)生影響，曲線為一條水平線；當(dāng)壓扁量為0.6、0.9 mm時(shí)，經(jīng)過1次壓扁后，隨著壓扁次數(shù)的增加，氫化物取向因子只是略有增加。這是因?yàn)榈?次壓扁時(shí)，B點(diǎn)外表面就受到周向最高拉應(yīng)力的作用，氫化物在此處已發(fā)生應(yīng)力再取向析出。氫化物的析出使該處的內(nèi)應(yīng)力得到釋放，降低了該處應(yīng)力敏感度及水平，內(nèi)部又處于一種新的平衡態(tài)。在隨后的多次拉、壓變形中，因施加的變形量未變，因此內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力等級水平也未變，故壓扁次數(shù)的增加對氫化物取向不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

3 結(jié) 論

(1)Zr-4合金管材徑向壓扁變形時(shí)，壓扁量大小對氫化物取向有明顯影響。壓扁量≤0.3 mm時(shí)，對氫化物取向基本不產(chǎn)生影響；當(dāng)壓扁量>0.3 mm時(shí)，隨著壓扁量的增大氫化物取向因子明顯增加，且B點(diǎn)比A點(diǎn)增加顯著。

(2)壓扁次數(shù)對Zr-4合金管材氫化物取向的影響較小。隨著壓扁次數(shù)的增加，在大壓扁量下氫化物取向因子略有增加，而壓扁量較小時(shí)(0.3 mm)氫化物取向不發(fā)生改變。