【摘要】：鋯合金具有較低的熱中子吸收截面、良好的耐蝕性能及適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工性能,在核電站中常被用作包殼材料。在堆內(nèi)服役過程中,由于經(jīng)受堆內(nèi)高溫高壓水、應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)及強(qiáng)烈中子輻照的作用,鋯合金會(huì)發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)及性能的變化,直接影響著鋯合金包殼的服役行為,關(guān)系核電站的安全運(yùn)行。研究鋯合金在輻照下的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律與性能變化特點(diǎn),有助于理解其輻照損傷機(jī)理,為設(shè)計(jì)和發(fā)展新型鋯合金提供依據(jù),滿足不斷增長的核工業(yè)發(fā)展要求。傳統(tǒng)的中子輻照試驗(yàn)具有操作復(fù)雜、時(shí)間漫長、費(fèi)用昂貴等特點(diǎn),且樣品具有放射性污染,為材料的組織分析與性能測試帶來了挑戰(zhàn)�；陔x子輻照與中子輻照造成的損傷效應(yīng)在某些方面的相似性,離子輻照被廣泛用于模擬中子輻照損傷。相比中子輻照而言,離子輻照具有損傷率高、實(shí)驗(yàn)參數(shù)容易控制及樣品分析測試容易進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。本文以兩種成分簡單、耐蝕性能優(yōu)良的合金Zr-1Nb和Zr-1Nb-0.05Cu為主要研究對(duì)象,并設(shè)計(jì)Zr-1Nb-0.5Cu合金,采用6.37MeVXe26+在室溫和高溫下進(jìn)行離子輻照,利用慢正電子湮沒裝置、同步輻射掠入射X射線衍射裝置、透射電子顯微鏡、納米力學(xué)探針及熱重分析儀等實(shí)驗(yàn)分析手段研究輻照過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變與性能變化規(guī)律,揭示輻照后微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。所取得的結(jié)論主要有以下方面：(1)在納米力學(xué)探針對(duì)材料進(jìn)行微觀力學(xué)性能的測試中,其測試結(jié)果普遍存在壓痕尺寸效應(yīng)。對(duì)未輻照Zr-1Nb-0.05Cu合金進(jìn)行硬度、模量及壓痕蠕變中的蠕變激活能和激活體積進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,硬度、蠕變激活能和激活體積都存在壓痕尺寸效應(yīng)。硬度的壓痕尺寸效應(yīng)采用應(yīng)變梯度塑性理論進(jìn)行解釋,通過Nix-Gao模型獲得材料的特征硬度。壓痕蠕變過程中的壓痕尺寸效應(yīng)主要是與變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變有關(guān),當(dāng)壓痕位移較小時(shí),蠕變的機(jī)理是通過壓頭尖端高密度的位錯(cuò)進(jìn)行的擴(kuò)散機(jī)制占主導(dǎo)地位。當(dāng)壓痕位移較大時(shí),蠕變的變形機(jī)制主要是位錯(cuò)的滑移。(2)在室溫下,對(duì)Zr-1Nb合金分別輻照到0.15、0.5、1.5和2.5 dpa。在輻照過程中,微觀結(jié)構(gòu)方面發(fā)生的變化主要為：產(chǎn)生大量空位型的團(tuán)簇,團(tuán)簇的種類為單空位型、雙空位型及三空位型,其總密度不變：點(diǎn)缺陷發(fā)展為位錯(cuò)環(huán),位錯(cuò)環(huán)的密度隨著輻照劑量的增加而增加。從力學(xué)性能方面來說,由Nix-Gao模型獲得的不同輻照劑量的硬度值隨著輻照劑量的增加而增加,滿足冪律關(guān)系,且冪指數(shù)n為0.46。輻照到2.5 dpa、在初始?jí)喝肷疃葹?00nm處的壓痕蠕變激活能明顯高于未輻照試樣的蠕變激活能值。經(jīng)過高溫水蒸氣氧化之后,輻照樣品氧化膜中存在的孔洞或裂紋隨著輻照劑量明顯變大增加。因此,輻照中產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán),一方面,作為阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙,引起硬度及蠕變激活能的增加：另一方面,成為氧擴(kuò)散的通道,加速腐蝕。(3)在633 K下對(duì)Zr-1Nb合金輻照到2.5 dpa,研究輻照溫度在離子輻照中的影響作用。結(jié)果表明,在高溫輻照下,空位型團(tuán)簇及部分位錯(cuò)環(huán)發(fā)生回復(fù),與相同劑量的室溫輻照情況相比,硬度、壓痕蠕變激活能都有一定程度的降低,同時(shí),其氧化膜中的裂紋或孔洞較大。(4)對(duì)添加不同Cu含量的Zr-1Nb合金輻照到2.5 dpa,主要探討Cu元素對(duì)c型位錯(cuò)環(huán)形成的影響。結(jié)果表明,Cu元素的加入有利于c型位錯(cuò)環(huán)的形成。進(jìn)一步通過c型位錯(cuò)環(huán)的高溫原位TEM結(jié)果發(fā)現(xiàn),只有在較高溫度(約870 K)時(shí),c型位錯(cuò)環(huán)才會(huì)發(fā)生明顯的回復(fù)行為。另外,適量Cu元素的加入,可以改善輻照前后合金的耐高溫水蒸氣性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG146.414

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本文編號(hào)：2386921