供稿|刘蕾，华建社，于军辉，李小宁，俞海平 / LIU Lei, , HUA Jian-she,YU Jun-hui , LI Xiao-ning , YU Hai-ping

内容导读

锆及锆合金在核电站水冷动力堆的包壳管和堆芯结构材料中具有广泛的应用前景。文章研究了变形量分别为55%和60%的Zr-4合金管材力学、均匀腐蚀及氢化物取向性能。结果表明：55%变形量的Zr-4管材的室温拉伸性能中抗拉强度和屈服强度高于60%变形量的Zr-4管材。55%变形量的Zr-4合金管材的高温(316 ℃)拉伸性能中抗拉强度、屈服强度以及延伸率波动小于60%变形量的的Zr-4管材。变形量为60%的Zr-4合金管材均匀腐蚀和氢化物取向因子测试结果略低于变形量55%的Zr-4管材。

随着我国核电事业的发展，反应堆用核结构材料日益受到人们的关注。锆及锆合金的热中子吸收截面小，且具有良好的加工性能以及同UO2的相容性，尤其在高温水、高温水蒸气的服役条件下也具有良好的耐蚀性能和足够的热强性，因此在核电站水冷动力堆的包壳管和堆芯结构材料中存在着广泛的应用前景[1-3]。为了进一步提高燃料的燃耗，降低核材料的循环成本，提高堆芯冷却水温以及改进反应堆的热效率，本文研究了两种不同变形量的Zr-4合金管材生产工艺的高温和室温下的力学性能、腐蚀性能以及氢化物性能，为选择适宜的冷轧变形量提供了依据。

实验材料及方法

实验材料均为Zr-4合金管材，合金成分见表1。Zr-4合金管材材料进行变形量分别为55%和60%冷轧，经相同条件的退火、矫直、抛光等精整处理制备成试样。按GB/T 228.1标准要求检测管材的室温拉伸性能；按GB/T 4338的标准要求检测管材的高温(316 ℃)拉伸性能；按照ASTM G2M的标准要求检测管材的腐蚀性能；按照ASTM B811-02的标准要求检测元素的氢化物分布。每组实验选取三个试样，实验完成后绘制相应的结果分布图。

结果与分析

变形量对力学性能的影响

Zr-4合金管材两种变形量下室温拉伸性能如图1所示。从图1(a)和图1(b)可见，55%变形量下的Zr-4合金管材的室温拉伸抗拉强度和屈服强度比60%变形量下的高，且55%变形量下Zr-4合金管材的屈服强度和抗拉强度数值相对存在一定波动。从图1(c)中可见，55%变形量和60%变形量下的Zr-4合金管材延伸率平均值差异并不显著，但55%变形量下管材延伸率存在一定波动。造成这种现象的原因有：(1)实验检测过程可能会造成两者室温拉伸性能发生波动；(2)大变形量下的管材存储的位错能和应变性较多，在后续经退火处理，这些应变能能够释放甚至消除，而相同退火条件下，相对较小的变形量条件下，其轧制产生的应变能还没有消除，故在室温拉伸实验时出现55%变形量下Zr-4合金管材强度大于60%变形量下Zr-4合金管材的现象。

表1 Zr-4合金管材主要化学成分(质量分数，%)

图1 Zr-4合金管材55%、60%变形量对室温拉伸性能影响关系图

两种变形量下Zr-4合金管材的试样高温(316 ℃)拉伸性能如图2所示。从图2可以看出，55%变形量下Zr-4合金管材抗拉强度、屈服强度以及延伸率相对波动较小。从图2(a)可见，Zr-4合金管材在55%变形量下抗拉强度基本在500 MPa上下浮动，而60%变形量下在480～490 MPa之间，且55%变形量下高温(316℃)拉伸抗拉强度数值明显比60%变形量下高，而两者的屈服强度和延伸率均存在一定的范围内波动的情况，但55%变形量下Zr-4合金管材屈服强度和延伸率波动相对较小。出现两种变形量下316 ℃的高温拉伸性能相差不大的现象是由于55%、60%两种变形量相差不大，其退火后残余在基体的应变能在316 ℃的高温实验条件下可部分释放(不同于再结晶态的完全释放)。

图2 55%、60%变形量对高温(316 ℃)拉伸性能影响关系图

变形量对腐蚀性能的影响

图3 变形量对均匀腐蚀的影响关系图

两种变形量下Zr-4合金管材试样均匀腐蚀表面均为黑光亮，均匀腐蚀结果数值如图3所示。从图3可以看出，55%变形量下Zr-4合金管材的均匀腐蚀数值在15.89～16.68 mg/dm2之间，而60%变形量下Zr-4合金管材的均匀腐蚀在15.88～16.16 mg/dm2之间，两种不同变形量下的均匀腐蚀结果还是存在细微的差异，排除实验检测的影响因素，60%变形量下Zr-4合金管材均匀腐蚀结果偏低可能是由于变形量越大，其晶粒破碎相对越严重，从而在微观上表现为晶粒越细小，位错能越高，晶粒间存在的残余应力越大。当这些细小晶粒、残余的位错能和残余应力保留在Zr-4合金管材表面时，可以在其表面增加微小的界面，这些微小的界面可以与Zr-4合金管材基体内部的残余应力一起调节Zr-4合金管材表面氧化膜的内应力，另一方面作为空位等缺陷的尾闾，破获空位而延缓孔隙簇的形成和裂纹的发展，从而改善Zr-4合金管材耐腐蚀性能[4]。

变形量对氢化物的影响

图4 变形量对氢化物取向因子F40 N影响关系图

Zr-4合金管材两种变形量下氢化物取向检测数值如图4所示。从图4中可以见，55%变形量下Zr-4合金管材氢化物取向因子F40N检测结果在0.14～0.17之间，60%变形量下Zr-4合金管材氢化物取向因子F40N检测结果在0.13～0.20之间。55%变形量下Zr-4合金管材的氢化物取向因子平均值比60%变形量下Zr-4合金管材略低。Zr-4合金管材氢化物的分布和形态问题较为复杂，目前普遍认为Zr-4合金管材变形过程中的织构是决定氢化物取向的主要因素，其变形量越大，对应的管材减壁率和减径率的比值越大，导致氢化物取向因子越大[5]，从而会出现变形量为60%的Zr-4合金管材的氢化物取向因子平均值比55%的Zr-4合金管材氢化物数值略大的现象。

结束语

(1) 相同条件下，55%变形量下的Zr-4合金管材比60%变形量下的Zr-4合金管材的室温拉伸抗拉强度和屈服强度数值要高，且55%变形量下Zr-4合金管材的三个屈服强度和抗拉强度数值波动较大。

(2) 55%变形量下的Zr-4合金管材比60%变形量下的Zr-4合金管材的高温(316℃)拉伸的抗拉强度、屈服强度以及延伸率波动较小。

(3) 60%变形量下Zr-4合金管材均匀腐蚀结果比变形量55%的Zr-4合金管材低。

(4) 55%变形量下Zr-4合金管材的氢化物取向因子平均值比60%变形量下Zr-4合金管材氢化物数值低。