锆合金手脚核能源响应堆包覆材料和结构材料，在响应堆运行时处于高温、高压水中，锆合金继承的氢卓绝氢在锆中的固溶度时以氢化锆形状析出，会显著缩短锆合金的塑性，氢脆的进度不仅取决于氢化物的数目，更取决于氢化物的描绘和取向。锆合金包壳管氢化物散播及应力再取向规定的连络具有进犯的工程趣味趣味。著述通过确立模子，联自如验，对锆合金在氢氩羼杂气中渗氢变成的氢化物描绘特征及机理进行连络。后果标明：从进气口启动，沿水笔直径标的，气体流速成抛物线递减，导致氢化物散播不均匀。在氩气中保饱缓和永劫辰，以低速率降温后，氢在锆合金包壳管中充分扩散，氢化物才气均匀散播。

跟着我国核电处事的发展，响应堆结构材料的国产化是势必趋势。锆合金具有优异的核性能，其热中子继承截面小，堆内发射后传热性能和抗腐蚀性能好，故锆合金是核能源响应堆包覆材料和其他结构材料[1]。在响应堆运行条目下，锆合金包壳处于高温、高压水中，当锆合金继承的氢卓绝氢在锆中的固溶度时，过量的氢以氢化锆形状析出。氢化锆是一种很脆的第二相，会显著缩短锆合金的塑性，氢脆的进度不仅取决于氢化物的数目，更取决于氢化物的描绘和取向[2]。在低温下，当氢化物垂直于主应力标的时，可能发生最严重的脆化，其次是引起氢致蔓延开裂(DHC)[3]。氢化物取向固然通过管材的织构来铁心析出的取向，但元件在捏戟工况下受到较大的环向应力，存在氢化物应力再取向的问题[4]。Zr-Sn-Nb合金手脚国内具有自主学问产权的先进包壳材料，需开展堆外运用性能连络，以本旨想象要求。连络Zr-Sn-Nb合金管材氢化物应力再取向规定前，必须制备出氢含量(质地分数)为150×10–6~200×10–6且氢化物散播均匀的试样。通过干法渗氢系统进行渗氢，金相显微镜不雅察氢化物描绘，氢测试仪测试氢含量。连络了气体渗氢后的氢化物散播规定，以及均匀化贬责行径，从而制备出及格的样品。

实践

实践征战和旨趣

气体渗氢实践禁受的是干法渗氢系统。渗氢安设结构及试样扬弃位置见图1。气体渗氢经过是将试样放在渗氢安设内，通入氢氩羼杂气，加热到400℃保温数2~4 h后冷却，使锆合金管材中氢化物析出。

试样

试样为团结批次的外径和壁厚为f9.5mm×0.57 mm、长度为5 mm的Zr-Sn-Nb合金管材，现象为消应力退火，氢含量(质地分数)为5×10–6。

实践行径

本实践在400℃的氢氩气羼杂气(氢气体积分数为1.6%~3.0%，其余为氩气)脑怒条目下，保温渗氢2.5~3 h后(部分实践需在400℃的高纯氩气脑怒条目下，保温4 h后)，按照表1所列决策实践。实践已毕后区别对不同决策的样品进行氢化物描绘不雅察和氢含量测试。

实践后果及盘考

氢化物描绘不雅察

对不同贬责决策的样品进行金相试样制备、腐蚀及拍照，以及氢含量测试，具体相片及氢含量如下。

决策1试样横截面氢化物描绘见图2。图2中(a)、(b)、(c)、(d)图区别为图1中标注的试样相应的a、b、c、d位置的氢化物描绘制。从图2中不错看到b、d位置氢化物散播较为均匀，长度适中(b位置氢化物长度平均值0.036 mm；d位置氢化物长度平均值0.038 mm)，便于氢化物取向因子以及应力再取向测试缱绻。a位置氢化物长度较短，部分长度接近极限长度(0.015 mm)[4]。c位置氢化物数目过多，不宜测试和缱绻。

决策2试样横截面氢化物描绘见图3。图3中(a)、(b)图区别为图1中标注的试样相应的a、c位置。从图3中不错看到a位置氢化物散播、长度适中(氢化物长度平均值0.041 mm)，适宜氢化物以及应力再取向测试。c位置氢化物显著过多，氢化物片层出现开裂、缠绕，不宜测试和缱绻。

决策3试样横截面氢化物描绘见图4。图4中(a)、(b)图区别为图1中标注的试样相应的a、c位置。从图4中不错看到a、c位置氢化物散播、长度适中，便于测试和缱绻。

通过上述三个决策交流位置(a或c位置)比较分析不错看出较低降温速率(6℃/min)下，氢化物片层长度变长，散播均匀。

氢含量测试

氢含量测试分析见表2。

气体能源学模子

设无尽长水笔直圆管的半径为R，中轴线为x轴，径向为r轴(图5)，气体沿x轴向流动。沿x轴任取一同轴圆柱形单位体CV，长为dx，半径为r。不计质地力和惯性力，仅磋商压力和剪切力的气体能源学模子，经过推到可得出：

其中：u为某一层流速率，m/s；μ为与流体性质有关的比例通盘；L为管长，m。圆管截面上的速率廓线默示图见图6，图6标明在圆管层流速率廓线为以轴线为中心线的旋转抛物面，在轴线上，速率最大。

本实践禁受的安设如图1所示，气体流动从圆管边部发起，不错肖似的以为如图1安设的圆管定常层流中圆管截面上的速率廓线为图7所示的旋转半抛物面，进气口端速率最大，从进气口沿a到c标的成抛物线递减；沿b、d标的流速的散播所以a、c测试点地点的直径为轴的对称散播。

通盘渗氢经过围绕着氢气和锆的响应进行，氢原子半径较小，容易借助空位扩散，从晶界扩散到基体中变成氢化物，通盘扩散经过的驱能源是氢在锆中的浓度梯度。由气体能源学模子知气体流速从进气口沿a到c标的成抛物线递减，a和c位置存在流速梯度，进而使得试样a和c位置名义氢浓度存在梯度。从图2~4以及表2可知：决策1中渗氢后，以13℃/min的速率降温，a和c位置不隔断的提供氢源，未进行充分的扩散，甚而a和c氢含量收支75×10–6，而况a和c位置氢化物描绘呈极点化散播，a位置部分氢化物长度刚刚卓绝最短氢化物长度要求(0.015 mm)[4]，而c位置氢化物数目过多，部分缠绕，无法进行氢化物取向以及再取向测试。决策2中渗氢后选拔较低降温速率(6℃/min)，a和c位置不隔断的提供氢源，比拟较决策1，决策2中氢进一步扩散，后果是a和c位置氢含量收支55×10–6，比决策1低；c位置氢化物部分缠绕，无法进行氢化物取向以及再取向测试。决策3中渗氢后，改用氩气脑怒均匀化，此时a和c位置不再与氢响应，独一管材里面扩散，且以较低速率(6℃/min)降温，使氢在锆管中充分扩散，后果是a和c氢含量收支8×10–6，肖似以为a和c位置氢含量较均匀。

总而言之，图1中气体渗氢经过中，圆管截面上沿水笔直径标的，气体流速率呈梯度散播，导致处于直径上不同位置渗氢后氢化物数目、长度以及氢含量偏差较大。独一在惰性保护脑怒下饱和永劫辰以及低速率降温后，氢在锆管中充分扩散，氢化物才气均匀散播。

已毕语

本文通过确立气体能源学模子，团结渗氢实践获得以下论断：渗氢安设内层流圆截面精巧速呈旋转半抛物面散播，从进气口启动沿水笔直径标的成抛物线递减，在垂直方朝上以水笔直径轴对称散播；在氩气脑怒中饱和永劫辰，以及低速率降温后，氢在锆管中充分扩散，氢化物才气均匀散播；在石英管中气体渗氢，独一通过400℃均匀化、低速率(6℃/min)降温贬责，才气制备出氢含量(质地分数)在150×10–6~200×10–6范围内的应力再取向试样。

著述开头——金属天下