M5锆合金热处理工艺及组织性能研究

论文摘要

M5锆合金主要应用于核反应堆堆芯的燃料包壳和结构件。近年来,随着反应堆技术的不断更新发展,燃料包壳面临内应力、中子辐射、高温高压等越来越苛刻的环境,这对M5锆合金包壳管的组织和力学性能等提出了更高的要求。本文提出利用热处理工艺改善再结晶退火态M5锆合金的组织和性能,旨在提高核燃料包壳的寿命,为促进核燃料包壳国产化提供一定的理论参考和依据。本课题利用正交试验方法研究M5锆合金包壳管热处理工艺与组织与性能之间的关系。重点比较热处理后各种因素水平参数的M5锆合金包壳管的微观组织和力学性能,综合分析出热处理最优工艺。主要研究结果如下：利用光学金相显微镜,透射电镜,扫描电镜等分析方法对再结晶退火态的M5锆合金进行组织结构研究。结果显示,再结晶退火态组织为等轴晶粒,晶粒较为规整,晶粒尺寸细小,再结晶状态良好。基体晶内位错密度较大,较多的位错缠结,在晶粒内部和晶界上有较多的第二相粒子弥散析出。对退火态M5锆合金室温环向拉伸试样断口分析显示,宏观断口呈现灰色纤维状,微观断裂机理为微孔聚合型断裂,韧窝较深,尺寸较小。再结晶退火态的M5锆合金塑性良好,强度较低。保温不同时间的M5锆合金p相经水和盐水淬火都发生了β→α’组织转变,获得了板条马氏体组织。保温3min试样的晶粒直径最小,随着保温时间的延长,晶粒尺寸变大。显微硬度试验结果表明,保温3mmin试样的硬度值波动较小,组织较为均匀,显微硬度值高于退火态组织。M5锆合金β相热处理工艺的正交试验结果显示：淬火后组织都发生了马氏体相变,经过回火后,基本保留淬火后马氏体的形貌特征。淬火温度对其力学性能有显著影响,回火时间次之,回火温度影响不显著。升高淬火温度,合金的强度显著提高,塑性指标呈线性下降趋势。随着回火时间的延长,合金的强度指标出现先下降后升高,转折前出现最高值,转折后缓慢增加。塑性指标断后延伸率和断面收缩率有所下降。综合考虑M5锆合金热处理最优工艺为950℃淬火/3min+530℃回火/6h。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 世界核电的发展
• 1.2 核反应堆技术
• 1.2.1 沸水反应堆
• 1.2.2 重水反应堆
• 1.2.3 压水反应堆
• 1.3 核反应堆燃料包壳材料
• 1.3.1 锆合金
• 1.3.2 影响锆合金的合金元素
• 1.4 核反应堆用锆合金
• 1.4.1 锆-锡系列
• 1.4.2 锆-铌系列
• 1.4.3 锆-锡-铌系列
• 1.5 锆合金的热处理
• 1.6 锆合金的研究现状
• 1.6.1 热处理对锆合金组织性能的影响
• 1.6.2 锆合金的腐蚀行为
• 1.6.3 锆合金的吸氢行为
• 1.6.4 锆合金的辐照腐蚀
• 1.7 本文的研究目的和意义
• 1.8 研究内容
• 2 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法及过程
• 2.2.1 热处理制度
• 2.2.2 金相试样制备
• 2.2.3 透射电镜试样制备
• 2.2.4 维氏硬度试验
• 2.2.5 晶粒尺寸观测
• 2.2.6 拉伸试验
• 2.2.7 拉伸断口扫描
• 3 退火态M5锆合金显微组织和力学性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 退火态M5锆合金显微组织分析
• 3.2.1 退火态M5锆合金金相组织分析
• 3.2.2 退火态M5锆合金原始晶粒尺寸观测
• 3.2.3 退火态M5锆合金亚结构分析
• 3.3 退火态M5锆合金拉伸试验结果
• 3.4 退火态M5锆合金拉伸断口扫描分析
• 3.5 退火态M5锆合金的维氏硬度试验
• 3.6 本章小结
• 4 M5锆合金马氏体初探
• 4.1 引言
• 4.2 M5锆合金淬火后显微组织
• 4.2.1 淬火后M5锆合金的金相组织
• 4.2.2 淬火后M5锆合金晶粒尺寸观测
• 4.3 M5锆合金淬火后亚结构
• 4.4 M5锆合金的淬火后维氏硬度
• 4.5 本章小结
• 5 M5锆合金热处理工艺设计
• 5.1 引言
• 5.2 正交设计
• 5.3 各因素对M5锆合金力学性能影响
• 5.3.1 维氏硬度试验结果
• 5.3.2 拉伸试验结果
• 5.4 优化工艺的选择和验证
• 5.4.1 优化工艺的选择
• 5.4.2 优化工艺的验证
• 5.5 不同因素水平下M5合金拉伸断口形貌
• 5.6 各因素水平下M5锆合金组织形貌
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢