Zr-4合金管材軋制用芯棒斷裂原因分析

供稿|石鴻瑞，王偉，施遷 /

鋯合金因具有熱中子截面吸收率小和優(yōu)異的抗腐蝕性能，所以常用于核反應堆的燃料包殼管材料和結(jié)構(gòu)材料[1]。目前，鋯合金管材主要采用皮爾格冷軋管機生產(chǎn)。該設備通過周期往復運動的形式實現(xiàn)鋯合金管材的變形[2-5]。芯棒是管材軋制工模具之一，在某產(chǎn)品鋯合金管材的軋制過程中，出現(xiàn)了芯棒斷裂的現(xiàn)象(如圖1所示)，直接導致軋制出來的鋯合金管材內(nèi)表面出現(xiàn)裂紋缺陷(如圖2所示)。在堆內(nèi)惡劣的條件下，這些含有缺陷的包殼管若服役于反應堆則會直接導致核泄漏，危及核安全。本文通過對芯棒材料進行化學成分、金相組織觀察、掃描觀察及硬度實驗和表面低倍觀察實驗，分析得出芯棒異常斷裂根本原因，有效地提高了核級鋯管產(chǎn)品穩(wěn)定性，為核反應堆的質(zhì)量提高和安全奠定基礎。

圖1 斷裂芯棒

圖2 鋯合金管材內(nèi)壁裂紋缺陷

實驗

化學元素分析

芯棒的材料為ASMT A8，選取斷裂部位的芯棒采用光譜儀進行化學元素分析，將其檢測結(jié)果與ASMT A8標準要求進行對比。

金相組織觀察

選取斷裂芯棒的端面試樣，依次在200#、400#、600#及800#砂紙將樣品磨平，然后依次利用混合酸(45%H2O+45%HNO3+10%HF，混合酸各成分比例為體積分數(shù))對試樣進行酸洗，然后利用吹風機對試樣表面進行噴吹。最后采用光學顯微鏡對試樣外層和內(nèi)部的晶粒度進行觀察。

電鏡組織觀察

利用線切割取芯棒斷口位置試樣并清洗，選取斷裂芯棒的端面試樣，采用掃描電鏡(SEM)分別對芯棒斷裂部位進行電鏡觀察。

硬度實驗

選取斷裂芯棒的端面試樣，采用維氏顯微硬度計測定芯棒的顯微硬度，選擇的載荷為300 g，飽載時間為10 s，最后得出維氏顯微硬度的單位為HV300/10。沿著芯棒芯部至邊部的方向每隔25 μm測量一次硬度值。

表面觀察

先對芯棒表面用酒精進行清洗，然后使用體式顯微鏡對芯棒表面進行觀察。

結(jié)果與分析

化學成分分析

發(fā)生斷裂現(xiàn)象的芯棒材料為ASMT A8，屬于冷作模具鋼[2]。在失效的芯棒上進行取樣化驗分析，表1為斷裂后的芯棒化學成分檢測結(jié)果。由表1可知，斷裂芯棒鋼材化學成分滿足ASTM A8鋼的化學成分標準要求。

金相組織觀察

圖3為斷裂芯棒內(nèi)外部金相組織觀察實驗結(jié)果。從圖3可見，芯棒組織內(nèi)外部晶粒組織均為淬火態(tài)的殘余馬氏體和碳化物組織，晶粒尺寸為10～15 μm。此外，從圖3(a)和(b)可見，芯棒外部至心部的金相組織均勻分布，未發(fā)現(xiàn)晶粒異常粗大現(xiàn)象，也未出現(xiàn)“貧碳”或“富碳”現(xiàn)象。

表 1 芯棒材料成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖3 芯棒顯微組織

電鏡觀察

圖4為芯棒斷裂部位的掃描電鏡觀察結(jié)果。從圖4可見斷口形貌圖上可以觀察到疲勞區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和快速斷裂區(qū)，并且有較明顯的的放射棱和貝紋。通過掃面電鏡，在芯棒斷口上也觀察到了二次裂紋源和韌窩，如圖2(c)(d)所示。二次裂紋源是由較大的載荷引起的，主要是由于皮爾格冷軋管過程中，之前萌生的主裂紋源會擴展，減小了芯棒有效承載面積，降低芯棒強度。在周期式冷軋管機正行程和反行程交換的過程中，芯棒卡爪會帶動芯棒旋轉(zhuǎn)一個角度，使得芯棒某些位置出現(xiàn)了承力薄弱區(qū)域，這些區(qū)域極易形成二次裂紋并擴展。韌窩是在外力作用下，在基體與碳化物、夾雜物之類的界面處引起，或在顯微疏松及微裂紋之類的缺陷處產(chǎn)生，并且在裂紋尖端前沿三向應力條件下長大并集聚，在拉應力作用下發(fā)生屈服變形[3]。而韌窩是由試樣斷裂時塑性變形產(chǎn)生的。因此，芯棒斷裂部位的裂紋萌生于芯棒的外表面，軋制過程中芯棒在循環(huán)交替變應力作用下，裂紋不斷擴展，最終導致了芯棒疲勞斷裂。

硬度觀察

芯棒端面硬度實驗位置圖和硬度實驗結(jié)果分別如圖5和圖6所示。從圖6可見，芯部斷裂芯部和邊部的硬度值趨勢基本保持一致，平均硬度約為641HV300/10，滿足芯棒制造使用要求。

圖4 斷口形貌

表面低倍觀察

芯棒表面實驗低倍觀察結(jié)果如圖7所示。從圖7可見，芯棒低倍表面主要呈現(xiàn)點狀坑、溝狀缺陷以及軸向劃痕。這些缺陷主要集中在芯棒變形區(qū)域。核級鋯管主要采用SMS公司生產(chǎn)的皮爾格冷軋管軋機[5]。皮爾格冷軋管機工作時，其借助于曲柄連桿機構(gòu)作往復運動，管坯通過上料機構(gòu)被固定在芯棒上，通過孔型和芯棒之間的相互作用，使管材實現(xiàn)外徑和壁厚的減小，最終實現(xiàn)鋯合金管材的軋制。芯棒作為兩輥周期冷軋管機生產(chǎn)用的主要工模具，在管材生產(chǎn)過程中，由于芯棒要受到交替應力影響，對其強度和耐磨性有較高要求。通過上述分析可以，芯棒材料、制造工藝和顯微組織滿足技術(shù)要求，但芯棒表面存在點蝕深坑和加工痕跡。芯棒發(fā)生斷裂主要原因是其表面存在部分加工痕跡和點蝕深坑，軋制過程中芯棒受到軋制力，細小的裂紋逐漸在芯棒表面加工痕跡或者點蝕深坑處萌生，并逐漸擴展。當裂紋擴展到一定尺寸后，在軋制力作用下，芯棒發(fā)生斷裂[6-8]。

圖5 芯棒斷裂端面硬度實驗位置圖

圖6 芯棒斷裂端面硬度實驗結(jié)果

結(jié)束語

(1) 斷裂芯棒的材質(zhì)成分符合ASTM A8標準中對該工具鋼的材料成分要求。

(2) 斷裂芯棒組織內(nèi)外部晶粒組織均為淬火態(tài)的殘余馬氏體和碳化物組織，晶粒尺寸為10～15 μm。

(3) 斷裂芯棒斷口形貌分析，裂紋源萌生于芯棒表面，逐步向芯棒心部擴展，屬于典型的疲勞斷裂。

(4) 芯部斷裂心部和邊部的硬度值趨勢基本保持一致，平均硬度約為641HV300/10，滿足芯棒制造使用要求。

(5) 芯棒低倍表面主要呈現(xiàn)點狀坑、溝狀缺陷以及軸向劃痕。在鋯合金管材軋制過程時，由于芯棒受周期性的軋制力，芯棒表面的加工痕跡或點蝕深坑逐步演化為裂紋源，隨后并逐漸擴展，直至導致芯棒發(fā)生斷裂。

圖7 芯棒表面低倍觀察圖

[1] 李中奎，劉建章，薛祥義. 與我國核電發(fā)展相關的堆芯關鍵材料-鋯合金國產(chǎn)化問題. 稀有金屬快報，2007(1)：6

[2] 周宇. 國產(chǎn)新鋯合金管材冷軋過程中的微觀組織與織構(gòu)研究[學位論文]. 重慶：重慶大學，2012

[3] 扎依莫夫斯基. 核動力用鋯合金. 北京：原子能出版社，1988

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[6] 何西娟，左鵬鵬，吳小春，等. 經(jīng)濟型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4的力學性能對比分析. 上海金屬，2016，38(6)：11

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