Zr-4合金异径管材力学性能研究

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1实验方法

本实验采用Zr－4合金直管，其主要成分（w／％）：Zr≥97．5、Sn1．2～1．7、Fe0．18～0．24、Cr0．07～0．13、C≤0．027、H≤0．0025、O≤0．16。试样加工过程如图1所示，首先将Zr－4直管变形50％后进行一次退火，然后将已变形50％的Zr－4管再局部变形18％，加工成Zr－4异径管材，最后将管材整体进行二次退火。退火均采用NWZ卧室真空退火炉，退火方案见附表。按GB／T228．1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》分别检测各退火方案下A部位（变形量为50％）和B部位（一次退火后再变形量为18％）的抗拉强度、屈服强度和延伸率。用LeicaDM2500M光学显微镜检测4＃退火方案下A部位和B部位的金相显微组织。

2结果与分析

2．1退火温度对室温力学性能的影响

Zr－4合金异径管材退火温度对其室温力学性能的影响如图2所示。从图2（a）中可以看出，变形量为50％的Zr－4管材（A部位）随着一次退火温度的降低、二次退火温度的升高，其室温抗拉强度和屈服强度呈先降后升的趋势，而延伸率则是先升后降；从图2（b）中可以看出，一次退火后再变形量为18％的Zr－4管材（B部位）随着二次退火温度的升高，其室温抗拉强度和屈服强度同样呈先降后升的趋势，而延伸率则呈先升高后降低趋于平缓的趋势。由此说明，Zr－4管材变形量为50％的管段，其室温力学性能取决于一次退火温度；而一次退火后再变形量为18％的管段，其室温抗拉强度和屈服强度及延伸率都取决于二次退火温度，一次退火温度对其力学性能影响不大。这是由于1＃退火方案中的二次退火温度为500℃，而2＃退火方案的二次退火温度为523℃，随着退火温度的升高，延伸率升高，由于B部位经过一次退火后再变形量只有18％，低于锆合金再结晶临界变形量（锆合金再结晶临界变形量为20％），因此，B部位的室温抗拉强度和屈服强度明显比A部位的高，延伸率明显要低。

2．2退火温度对高温力学性能的影响

Zr－4合金异径管材退火温度对高温力学性能的影响如图3所示。从图3（a）中可以看出，变形量为50％的Zr－4管材（A部位）随着一次退火温度的降低，二次退火温度的升高，其高温抗拉强度升高较平缓，屈服强度先降后升，延伸率则先升后降。从图3（b）中可以看出，经一次退火后再变形量为18％的Zr－4异型管材（B部位）高温抗拉强度和屈服强度随着一次退火温度的降低，二次退火温度的升高呈现先降后升，延伸率则先升高后降低。

2．3退火温度对金相组织的影响

Zr－4合金管材变形量为50％的A部位和一次退火后再变形量为18％的B部位，按4＃退火方案退火后的金相组织形貌如图4所示。从图4（a）可以看出，A部位为典型等轴状的完全再结晶形貌；如图4（b）所示，B部位的组织形貌依然相对模糊和混乱，且晶粒中依然存在较强的方向性，典型形貌为消应力态。金属发生再结晶的主要条件为变形量和退火温度。锆合金再结晶临界变形量为20％，传统的消应力退火温度为500℃／3．5h。Zr－4合金的变形量为50％时，大大超过了锆合金再结晶临界变形量。如此大的变形量大大增加合金内部的位错、空位等缺陷的数量，并且造成点阵畸变及内能的升高，为析出相的形核级长大提供了有力条件。变形后又经历了两次523℃／3．5h退火，晶粒长大并发生了明显的再结晶。B部位经过一次退火后再变形量为18％，未超过锆合金再结晶临界变形量，且只进行523℃／3．5h退火，晶粒无法长大，以致形貌为消应力态。

3结论

（1）Zr－4合金异径管材变形量为50％时，其室温力学性能取决于一次退火温度；经过一次退火后再变形量为18％时，其室温抗拉强度、屈服强度及延伸率都取决于二次退火温度，一次退火温度对其室温力学性能影响不大。（2）Zr－4合金异径管材变形量为50％，一次退火温度为540℃／3．5h时，高温延伸率最大。（3）Zr－4合金异径管材变形量为50％，经两次523℃／3．5h的退火处理，其金相组织为典型等轴状的完全再结晶形貌；经一次523℃／3．5h的退火处理后，再变形量为18％的金相组织形貌相对模糊和混乱，且晶粒中依然存在较强的方向性，典型形貌为消应力态。

作者：于军辉 单位：国核宝钛锆业股份公司