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《四川大学》 2003年
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锆合金的低周疲劳行为研究

李聪  
【摘要】: 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。因此,要保障核电站水冷动力堆的安全运行,就要对锆合金的低周疲劳行为有详尽的了解和认识。特别是当要求研制新型高性能的燃料组件以降低核电成本时,对锆合金低周疲劳行为的研究就显得尤为迫切。 本文采用对称拉压循环变形方法(R_ε=ε_(min)/ε_(max)=-1),系统研究了织构、热处理状态、氢对Zr-4合金低周疲劳性能的影响,Zr-4合金、N18合金和N36合金的循环变形行为,并研究了摩擦应力、背应力随循环周次、塑性应变幅的变化规律。结合疲劳亚结构和疲劳断口的分析结果,深入探讨了影响合金低周疲劳行为的作用机制。 Zr-4合金低周疲劳性能的研究表明,不同冶金状态的Zr-4合金在室温和400℃的低周疲劳寿命(N_f)都随塑性应变范围(Δε_p)的增加而降低,并遵循Coffin-Manson关系N_f~βΔε_p=C。但是,冶金状态不同,合金的抗疲劳性能不同。对于冷加工后经再结晶退火处理的Zr-4合金,轧制方向的低周疲劳寿命比横向要大。随着Δε_p的降低,两个方向的低周疲劳寿命的差别相应增加,这是由于合金中存在织构的缘故。冷加工后经再结晶退火处理的Zr-4合金在β固溶处理后,抗疲劳性能明显降低,这主要是由于β固溶处理降低了合金的Schmid因子;β固溶处理后在α相区的退火对疲劳性能有影响,即500℃×1.5h退火的抗疲劳性能要优于750℃×1.5h退火,这主要与500℃×1.5h退火的合金中沉淀相粒子的数量较少有关。240μg/g的氢要改善Zr-4合金在400℃的抗疲劳性能,其主要原因是α-Zr基体中的固溶氢(~200μg/g)弱化了位错与氧等溶质原子、位错与 摘要 ----------------~~~~~~~~~~~~~~~~月.................................................,,....____ 钉扎点的相互作用,促进了位错的发射,增强了位错的活动性。 用单试样法或多试样法,研究了错合金在室温和400℃的循环变形。结果 表明,无论在室温还是在400℃,循环饱和应力,、随塑性应变幅二,的变化满足 乘幕关系cT、一K“二,”‘。在低应变范围,冷加工后经再结晶退火处理的错合金的 循环应力一应变曲线位于单调拉伸曲线的下方,表现为循环软化;在高应变范围 则位于单调拉伸曲线的上方,表现为循环硬化。对于室温下恒应变幅的循环变 形,在应变幅较低时表现为循环软化直至疲劳破坏;在应变幅较高时,循环变 形的初期为循环硬化,随后是循环软化直至疲劳破坏。在400℃,合金要发生 动态应变时效,其原因是氧等溶质原子对可动位错的钉扎作用而导致合金的摩 擦应力增大。含240林留g氢的zr一4合金在400℃的循环变形行为和无氢zr-4合 金是一样的,但是,含氢Zr一4合金的动态应变时效不象无氢Zr一4合金那样明显, 因为固溶氢卜200林留g)弱化了位错与氧等溶质原子、与钉扎点的相互作用。 Masing特性的研究表明,错合金具有Masing特性的充分必要条件为:对 于任一应变范围的循环变形,在某一给定的应变值,其对应的背应力和摩擦应 力都是相同的。经p固溶处理后的错合金在室温下极易具有Masing特性。 用Cottrell方法对滞后回线进行了分析。结果表明,随着循环变形的进行, 合金中的晶粒要转动,使晶粒位于具有更高Sch刀11d因子的晶体学取向位置,摩 擦应力相应降低。晶粒转动的难易程度与织构和晶粒形态。织构越强,晶粒转 动越容易,摩擦应力的降低也就越明显。对于经p固溶处理而得到的板条状晶粒 组织,由于a晶粒团的晶界犬牙交错,晶粒不易转动,摩擦应力只是略微降低。 Zr-4合金在400℃时的摩擦应力要比室温时的低;由于动态应变时效,摩擦应 力。、会随应变幅的增加而缓慢增长;增加合金中沉淀相粒子的数量或a一Zr基 体中合金元素的含量要增加摩擦应力;a一Zr基体中的固溶氢要降低Zr一4合金在 400℃时的摩擦应力,因为固溶氢弱化了位错与氧等溶质原子、位错与钉扎点的 相互作用。晶粒之间变形的不协调是引起背应力的主要原因;背应力。。随塑性 应变幅:,的变化满足对数关系,,一K占hi:,+吼。在塑性应变幅二,‘恒定时,织 构越强,背应力,,越低;晶粒越细,背应力J。越大。固溶氢要增加Zr-4合金 在400℃时的背应力,因为位错与固溶氢之间存在长程的弹性相互作用。错合 金在循环变形时,应力响应都是非对称的,压缩时的流变应力可总是大于拉伸 时的流变应力司,造成这种差别的主要原因是合金中的晶间热应力。 四川大学博士学位论文:镌合金的低周疲劳行为研究 口日‘ 沪尸产 用透射电子显微镜研究了疲劳试样的亚结构。结果表明,在循环变形过程 中,只有部分晶粒发生塑性变形,晶粒之间的塑性变形程度各不相同。随着应 变幅的增加,晶粒的塑性变形程度相应增加,发生塑性变形的晶粒所占的
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TG115

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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7 辛克贵;何铭华;;分布粘聚元的系统理论研究[A];第20届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册)[C];2011年
8 牛士珍;宋波;樊一丁;闫利波;张杰;;热轧棒材低倍中心裂纹缺陷研究[A];2006年全国冶金物理化学学术会议论文集[C];2006年
9 魏远征;杨大可;张万灵;陈晓红;;冷轧搪瓷钢板抗鳞爆性能测试方法的研究[A];第5届中国金属学会青年学术年会论文集[C];2010年
10 周军;李中奎;刘荣臻;张建军;田锋;;氢含量对新锆合金室温循环变形行为的影响[A];中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集[C];2007年
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1 杨敬源;井壁稳定性若干力学问题的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
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4 鲁永芳;金属钛膜中氢对氦行为作用和影响的研究[D];复旦大学;2011年
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6 陈志英;冲压成形中破裂和回弹的细观损伤力学分析[D];上海交通大学;2009年
7 韩秀丽;氢在钛晶体中作用的第一原理计算和分子动力学模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 于雪梅;岩土材料中球形孔洞膨胀问题的力学分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 康玉梅;基于小波分析的岩石类材料声发射源定位方法研究[D];东北大学;2009年
10 刘建坡;深井矿山地压活动与微震时空演化关系研究[D];东北大学;2011年
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1 彭新元;热氢处理对钛合金组织和切削性能的影响[D];南昌航空大学;2010年
2 张秀芳;硅、锗切割片的损伤层研究[D];浙江理工大学;2010年
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6 陈伟;基于破坏理论的冷却器氢鼓泡安全分析与评价[D];华东理工大学;2011年
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9 刘恒大;基于LabVIEW的漏磁检测系统设计[D];西北大学;2011年
10 高宇;单晶Cu纳米压痕的分子动力学模拟[D];北京交通大学;2011年
【同被引文献】
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1 朱玉龙,陈迪林,翟启杰;钒对贝氏体球墨铸铁组织与硬度的影响[J];北京科技大学学报;2000年01期
2 乔建生;黄依娜;肖鑫;万发荣;;450℃高能电子辐照对CLAM钢微观结构的影响[J];北京科技大学学报;2009年07期
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9 夏晓玲,李玉清,吴大茂;不同热处理对17-4PH钢过时效组织与性能的影响[J];材料科学与工艺;1997年02期
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1 钟厉;纯氮离子渗氮新工艺及离子渗氮机理研究[D];重庆大学;2004年
2 王艳辉;Cu-15Ni-8Sn-XSi合金和Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金中的相变及其对合金性能的影响[D];中南大学;2004年
3 刘彦章;反应堆用钛合金表面的离子注入及其耐蚀性和抗磨损机理研究[D];电子科技大学;2007年
4 姚美意;合金成分及热处理对锆合金腐蚀和吸氢行为影响的研究[D];上海大学;2008年
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1 王宁;金属铁和钒中离位级联碰撞的多尺度模拟研究[D];湖南大学;2011年
2 黄育红;对称倾科晶界结构及能量的计算机模拟[D];陕西师范大学;2006年
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4 张平;吸氢与堆内辐照对Zr-2包壳管拉伸性能影响的研究[D];中国原子能科学研究院;2006年
5 高晓;钛辐照损伤及晶界交互作用分子动力学研究[D];大连理工大学;2012年
【二级引证文献】
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2 王院生;熊计;王均;李海丰;张太平;石树坤;;17-4PH不锈钢热浸镀铝及其高温耐氧化性能[J];电镀与涂饰;2011年03期
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6 王俊;林鑫;黄春平;杨海欧;黄卫东;;时效处理对激光立体成形17-4PH不锈钢组织及性能的影响[J];中国激光;2011年12期
7 张海生;李国云;黄娟;蒋国富;李福荣;王斐;;Zr-4合金管材辐照前后低周疲劳行为研究[J];科技导报;2012年Z1期
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1 田锋;李中奎;张建军;王文生;周军;;M5合金的高温低周疲劳性能研究[A];中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集[C];2007年
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【二级参考文献】
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2 彭金波;铝合金的棘轮及低周疲劳行为研究[D];西南交通大学;2014年
3 凌绪玉;Zr-4合金低周疲劳性能研究[D];四川大学;2003年
4 黄学伟;新结构材料力学行为的获取方法[D];西南交通大学;2010年
5 李万祺;一种半刚性连接节点的低周疲劳性能分析[D];合肥工业大学;2004年
6 范志毅;16MnR钢的低周疲劳裂纹萌生寿命及其概率统计模型的研究[D];东南大学;2004年
7 米海蓉;转子钢在不同温度下的低周疲劳性能研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
8 巩俊松;双腹板—顶底角钢的半刚性节点低周疲劳性能研究[D];合肥工业大学;2006年
9 陈小敏;AZ91镁合金单轴棘轮效应及低周疲劳行为研究[D];中南大学;2012年
10 嵇文青;变形镁合金低周疲劳行为研究[D];南京理工大学;2013年
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