含双边轴向裂纹N18锆合金薄壁管的蠕变裂纹扩展行为研究

通过对含双边轴向裂纹管(DEAT)试样及其加载装置进行设计,基于能量等效和载荷分离原理获得了DEAT试样的能量率回路积分(C*积分)表达式,从而建立了含轴向裂纹薄壁管的蠕变裂纹扩展速率测试方法。基于此方法,采用DEAT试样完成了N18锆合金薄壁管在350℃不同载荷水平下的蠕变裂纹扩展试验。结果表明,蠕变载荷会显著影响N18锆合金的蠕变裂纹扩展速率;蠕变裂纹扩展可分为稳态扩展和快速扩展2个阶段;蠕变裂纹扩展速率(da/dt)与C*积分存在良好的幂律关系,可用于预测N18锆合金管蠕变裂纹扩展行为。     

N18锆合金在600～1200℃蒸汽中的氧化行为研究

研究了我国自主研发的N18锆合金在600～1200℃蒸汽中的氧化动力学曲线随温度及时间的变化规律。结果表明,温度低于700℃时,N18锆合金的氧化遵从抛物线规律;温度达到800℃时表现为抛物线-线性关系;950℃时由抛物线关系转变为立方指数关系;在1050℃时氧化速率指数快速下降至2.3,即为近似抛物线关系;高于1100℃后,氧化速率指数保持在2.1～2.2之间,即抛物线关系。分析认为N18锆合金比Zr-4合金耐氧化,且前者氧化速率的转折所需时间比后者更长。     

N18合金薄壁管高温应变循环与疲劳行为研究

应用新型自研夹具对N18合金薄壁短管进行400℃下的单轴拉伸和等幅低周应变疲劳试验。试验结果表明：N18短管高温循环应力应变滞回线有良好对称性；等幅循环下短管试样在较低应变幅下表现出循环硬化特性，而在较高应变幅下表现出循环软化；在多级应变循环加载下短管试样应力幅在循环中均保持稳定，循环本构关系不受多级应变循环工况差异的影响；材料循环特性不符合Manson律。获得了用于N18合金在400℃高温下的几个寿命估算式。     

热轧温度对N18新锆合金板材织构的影响

研究了N18新锆合金在α／(α β)相变点附近不同热轧温度对板材织构的影响：结果表明,N18合金板材经热轧、冷轧及再结晶退火加工后．fn和fr增加,ft减小。热轧温度对织构的影响较小。热轧温度高于780℃的几块板材的织构基本一致;与热轧温度为750℃的板材相比,fn减小,ft略有增加。温度高于780℃。N18合金中出现β相,并且β相含量随温度升高而增加,750℃时热轧N18合金的形变遵循α相(hcp)的形变机制;780℃至820℃热轧,合金的织构仍由α相的变形所控制．除了锥面滑移和柱面滑移开外,还伴随高温形变机制,晶界分布的β相对晶界滑动机制有促进作用。     

氢及氢化物对锆合金疲劳裂纹扩展速率的影响及估算

采用紧凑拉伸（CT）试样．研究了不同氢含量的Zr-4及Zr-Sn-Nb合金在室温下疲劳加载裂纹扩展（dα/dN）行为．用扫描电镜观察了断口形貌。结果表明，氢含量对疲劳裂纹扩展速率影响微弱，疲劳断裂受通常的裂纹萌生、稳态扩展和瞬间断裂机制控制。根据疲劳裂纹扩展机理．导出了裂纹扩展门槛值△Kth的关系式．得出了一个描述疲劳裂纹扩展速率油（dα/dN）与材料性能常数之间的关系式，该关系式可用于预测材料的疲劳裂纹扩展速率。用锆合金实验数据对（dα/dN）预测表达式进行验证．结果表明，预测值与实验值吻合较好。     

N18锆合金的氢致α/β相演化研究

用Setaram Multi HTC高灵敏热分析仪在准平衡和动态两种情况下对一组经过电解渗氢/均匀化退火处理的N18锆合金的相变进行了研究.结果表明,随着氢含量的增加,N18的α/β相转变温度逐渐降低,并且13相转变越多,氢含量的影响越小;用JMAK模型可以很好地模拟氢对N18合金相演化过程的影响.     

N18锆合金的低周疲劳行为

在不同试验温度（室温～500℃）下,对N18合金进行了低周疲劳试验。试验结果表明：室温～300℃温区,合金表现为明显的循环软化;400、450℃时,合金逐渐呈现循环硬化,450℃时其硬化现象更为明显;500℃时则主要表现为循环饱和。随着温度的升高,疲劳寿命先增加后降低,300℃时疲劳寿命最高。低应变幅下,温度对疲劳寿命的影响更明显。通过疲劳断口SEM分析,室温下疲劳起源于单个裂纹源,疲劳裂纹扩展阶段的微观特征主要是疲劳条纹,局部区域出现轮胎状花样。在高温下为多裂纹源,大量二次裂纹的存在是高温疲劳断口的主要特征。     

含氢N18锆合金循环变形后的位错组态研究

应用透射电子显微镜研究了N18锆合金在室温下循环变形后的位错组态以及氢化物与位错的相互作用.结果表明,N18锆合金基体中存在着大量弥散分布的沉淀相粒子,其位错组态是一系列被沉淀相粒子钉扎住的位错线段.这些位错线段由{1010}柱面滑移所产生.试样在变形过程中只有部分晶粒发生了塑性变形,而其它晶粒则是弹性变形.试样中的氢化物主要为面心立方结构的δ相氢化锆,氢化物与位错之间的交互作用存在着"尺寸效应",位错的滑移能够切割过细小的氢化物,但不能穿越粗大的氢化物.     

含裂纹锆合金包壳管氢致多场耦合行为的数值模拟研究

考虑氢化物应力再取向,给出了锆合金包壳管氢致多场耦合行为的理论模型。建立了相应的多场耦合计算方法,编程获得了有限元程序。针对内压作用下的含轴向裂纹包壳管,建立了有限元模型,对其氢致多场耦合行为进行了计算分析。研究结果表明：对于含大量固溶氢原子的含裂纹包壳管,只有裂纹尖端区域析出较多的氢化物,这主要是由于此处存在很大的静水应力梯度和氢原子浓度梯度,并具有较低的氢原子固溶度;裂纹尖端析出的氢化物绝大部分沿包壳管径向,致使包壳管易于产生径向开裂,威胁其安全性;内压施加完成后,因氢化物析出膨胀,裂纹尖端区域的环向应力、径向应力、静水应力及其梯度均随时间而降低,导致氢化物析出逐渐减速。     

N18锆合金的单轴拉伸和应力松弛性能

本工作试验研究20~700℃、不同应变加载速率下N18锆合金的单轴拉伸和应力松弛性能。结果表明,N18合金的单轴拉伸应力-应变曲线出现明显的屈服拐点,且温度低于500℃时呈现后继屈服强化,高于500℃后又呈后继屈服软化。除横向试样的断面收缩率高于轧向试样外,试样取向对N18合金的单轴性能影响不大。温度低于300℃时,N18合金的应变速率敏感性受温度的影响不大;350℃时,N18合金的敏感系数达到最小值,其后,对应变速率的敏感性随着温度的升高逐渐增强。N18合金在不同温度和应变水平下均产生明显的应力松弛。在300℃以内,最大应力松弛程度受温度影响较小,且随应变水平的增大明显降低;在350~550℃范围内,应变水平越高,对应的最大应力松弛程度越大;N18合金的最大松弛程度在350℃附近出现最小值。在350~450℃范围内,N18合金表现出明显的动态应变时效特性。     

辐照蠕变对锆合金包壳管吸氢所致多场耦合行为的影响

本文考虑辐照效应,改进了锆合金包壳管内部的氢原子扩散-氢化物析出-热-力耦合行为的微分控制方程。根据多物理场等效积分弱形式和所建立的耦合计算方法,在FEPG软件平台编制文件,生成多场耦合计算的有限元程序,并对程序进行了验证。计算分析了辐照蠕变对锆合金包壳管堆内吸氢所致多场耦合行为演化的影响,结果表明:辐照蠕变导致包壳管内产生应力松弛,促使Mises应力显著降低,同时导致静水应力由负值转变为正值,进而影响氢原子的扩散;与不考虑辐照蠕变的结果进行对比,发现辐照蠕变会增大燃料芯块与包壳管局部接触区域的负的静水应力的绝对值及向外的静水应力梯度,导致接触区域内的氢原子浓度减小,接触区域周围的氢原子浓度增大。     

高强度铝合金裂纹蠕变扩展原位观察

实验中发现一种高强铝合金产生裂纹蠕变扩展现象.为了深入、系统地研究这个问题,在扫描电子显微镜下原位观察其裂纹蠕变扩展过程.研究结果表明:室温低应力条件下,该合金裂纹蠕变扩展与一般金属材料的蠕变规律相似.作为表征这种合金裂纹蠕变扩展性能的指标参数,应力场强度因子具有一定的局限性.     

锆合金薄壁细管的单调拉伸与低周疲劳试验研究

利用自行研制的高温夹具完成了Zr-1Nb合金和Zr-4合金薄壁短管试样不同温度下的单调拉伸和375℃下的等幅低周疲劳试验,获得了两种锆合金的单调和循环本构关系及Manson-Coffin寿命估算模型。研究结果表明：Zr-1Nb合金和Zr-4合金的弹性模量、屈服强度、抗拉强度以及应变硬化程度明显下降。随着温度的升高,温度对Zr-4合金的应变硬化程度的影响逐渐减弱;应变速率对Zr-4合金的拉伸性能的影响微弱。在等幅应变循环过程中,Zr-4合金表现为循环硬化,应变幅越低,硬化现象越明显;Zr-1Nb在较低应变幅下表现为循环硬化特性,而在较高应变幅下表现为循环软化。相对于单调拉伸行为,Zr-4合金在不同温度下的循环行为均表现出明显的强化特性。     

燃料棒包壳辐照蠕变与生长行为模拟研究

根据建立的包壳材料和行为模型,利用ABAQUS对包壳辐照蠕变与生长行为进行相关模拟研究。在设定的稳态工况下,计算了包壳的辐照蠕变,分析了它的应力以及蠕变的关系。通过设置节点集和不同路径方式,分析了包壳的辐照生长现象,表明了ABAQUS在核燃料性能研究方面的适用性。以及利用ABAQUS的二次开发接口,可以把自定义的模型结合到商用的有限元软件中,利用商用有限元软件的优势,快速解决部分核燃料模拟中的问题。