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国产M5合金组织与性能研究

作　者: 周静
导　师: 王正品
学　校: 西安工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 锆合金 显微组织 轴向拉伸 环向拉伸 爆破强度 鼓泡伸长率 腐蚀速率 韧性断裂
分类号: TL341
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


锆合金具有独特的耐腐蚀性能和良好的机械性能,常作为核燃料的包壳。在反应堆堆芯中燃料包壳长期处于高温、高压条件下,不仅受到机械力的作用,还有中子辐照的损伤,包壳内外介质的腐蚀,吸氢脆化等,因而锆合金包壳管的组织和性能研究具有极其重要的意义。目前国内外对Zr-2、Zr-4锆合金包壳的组织与性能研究较为广泛,但对N18、国产及法国产M5锆合金包壳管研究报道尚少。本文对Zr-2、Zr-4、N18、国产M5(简记为GM5)和法国产M5(简记为FM5)锆合金包壳管的显微组织、拉伸性能、爆破性能和腐蚀性能进行了系统的研究,重点比较GM5与FM5合金包壳管组织与性能的共性与差异,为实现核燃料包壳管的国产化提供理论依据。研究结果如下：(1)N18、GM5和FM5锆合金显微组织研究结果显示,GM5、FM5合金的晶粒细小,N18合金的晶粒较大。FM5、N18晶粒均匀度良好,GM5晶粒均匀度较差,三种材料的组织均为等轴晶粒基体上分布有析出粒子。FM5基体位错较少,GM5基体中有大量位错缠结,N18基体中位错较少且析出粒子较大。(2)Zr-2、Zr-4、N18、GM5和FM5锆合金包壳管室温和400°C的轴向和环向拉伸试验结果表明,N18和Zr-2包壳管的强度较高,GM5和FM5包壳管的强度次之,Zr-4包壳管强度较低。Zr-4、GM5和FM5包壳管的塑性相比N18、Zr-2较好。(3)GM5和FM5锆合金包壳管爆破试验结果表明,GM5包壳管室温爆破强度与FM5包壳管爆破强度相当,鼓泡伸长率无显著差异。(4)N18、GM5和FM5锆合金包壳管在400°C、10.5MPa水蒸气中腐蚀试验结果显示,三种包壳管的腐蚀速率和氧化层厚度无显著差异。腐蚀过程初始数小时是快速线性腐蚀阶段,随后转入慢速抛物线腐蚀阶段,随着腐蚀时间的加长,腐蚀速率减慢。氧化层很薄,腐蚀498小时氧化层厚度仅有0.22-0.24μm。(5)室温和400°C的轴向和环向拉伸断口,宏观上都是灰色纤维状,微观形态为韧窝,断口都有大量的塑性变形,为韧性断裂。GM5和FM5包壳管的爆破断口破断形式相同,断口类型相同。断口宏观形态均为灰色纤维状,微观形态均为韧窝状,破断机理均为微孔聚合,破断性质均为韧性断裂。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
主要符号表  10-11
1 绪论  11-29
  1.1 核电的发展  11-12
  1.2 核反应堆  12
  1.3 核燃料包壳材料  12-15
    1.3.1 铝合金  13
    1.3.2 镁合金  13
    1.3.3 锆合金  13-15
  1.4 锆合金的发展  15-16
  1.5 锆合金力学性能研究现状  16-22
    1.5.1 影响锆合金力学性能的主要因素  16-17
    1.5.2 锆合金力学性能测试方法  17-22
  1.6 锆合金腐蚀性能研究现状  22-28
    1.6.1 腐蚀动力学  22-24
    1.6.2 锆合金包壳的腐蚀机理  24
    1.6.3 影响锆合金包壳腐蚀的因素  24-28
  1.7 本文的研究目的和意义  28
  1.8 研究内容  28-29
2 N18、GM5和FM5锆合金显微组织分析  29-37
  2.1 引言  29
  2.2 试验材料及试样制备  29-30
    2.2.1 金相试样的制备  29-30
    2.2.2 透射试样的制备  30
  2.3 N18、GM5和FM5锆合金金相显微组织分析  30-34
    2.3.1 N18、GM5和FM5锆合金原始金相组织  30-31
    2.3.2 N18、GM5和FM5锆合金晶粒尺寸的测定  31-34
  2.4 N18、GM5和FM5锆合金亚结构分析  34-36
  2.5 小结  36-37
3 锆合金拉伸性能及断裂机理研究  37-61
  3.1 引言  37
  3.2 试验材料及试验方法  37-39
    3.2.1 试验材料  37
    3.2.2 试验方法及设备  37-39
  3.3 试验结果与分析  39-52
    3.3.1 室温轴向拉伸结果  39-41
    3.3.2 400℃轴向拉伸结果  41-43
    3.3.3 室温环向拉伸结果  43-45
    3.3.4 400℃环向拉伸结果  45-46
    3.3.5 试验温度对拉伸性能的影响  46-50
    3.3.6 拉伸方式对性能指标的影响  50-51
    3.3.7 GM5和FM5形变硬化指数比较  51-52
    3.3.8 静力韧度值比较  52
  3.4 拉伸断口扫描分析  52-60
  3.5 小结  60-61
4 GM5和FM5室温爆破性能及破断机理研究  61-67
  4.1 引言  61
  4.2 试验材料及试验方法  61-62
    4.2.1 试验材料  61
    4.2.2 试验方法及设备  61-62
  4.3 爆破试验结果及分析  62-64
    4.3.1 试样爆口形貌  62
    4.3.2 压强-时间曲线  62-63
    4.3.3 周向爆破应力和周向爆破应变  63-64
  4.4 爆破断口扫描分析  64-65
  4.5 小结  65-67
5 N18、GM5和FM5腐蚀性能研究  67-77
  5.1 引言  67
  5.2 试验材料及试验方法  67-68
    5.2.1 试验样品制备  67-68
    5.2.2 试验方法  68
  5.3 腐蚀试验结果及分析  68-71
    5.3.1 腐蚀增重与外观  68-70
    5.3.2 腐蚀动力学  70-71
  5.4 腐蚀层微观结构分析  71-76
    5.4.1 腐蚀层的表面形貌  71-74
    5.4.2 腐蚀层的表面能谱  74-75
    5.4.3 氧化层扫描分析  75-76
  5.5 小结  76-77
6 结论  77-79
参考文献  79-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-85
致谢  85-88

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中图分类: > 工业技术 > 原子能技术 > 核反应堆工程 > 反应堆材料及其性能 > 结构材料
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