【摘 要】
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工业纯锆在核工业领域应用时,服役寿命和工程可靠性受到很大关注。表面强化技术可有效提高工件可靠性并提升工件服役寿命,但表面纳米化工业纯锆在服役过程中,外部环境复杂,残余应力分布及微观结构并不一定能保持稳定状态,残余应力会随着疲劳加载的进行发生释放,同时材料的微观结构也会发生变化。本论文对工业纯锆进行高能喷丸（HESP）处理实现其表面纳米化,利用偏光显微镜观察金相组织;通过X射线衍射仪（XRD）进行残
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工业纯锆在核工业领域应用时,服役寿命和工程可靠性受到很大关注。表面强化技术可有效提高工件可靠性并提升工件服役寿命,但表面纳米化工业纯锆在服役过程中,外部环境复杂,残余应力分布及微观结构并不一定能保持稳定状态,残余应力会随着疲劳加载的进行发生释放,同时材料的微观结构也会发生变化。本论文对工业纯锆进行高能喷丸（HESP）处理实现其表面纳米化,利用偏光显微镜观察金相组织;通过X射线衍射仪（XRD）进行残余应力测试及位错密度和晶粒尺寸的计算;采用维氏硬度仪测量不同试样表面的微观硬度;采用拉拉疲劳实验测试疲劳极限,采用扫描电镜（SEM）观察疲劳断口,对疲劳过程中的残余应力释放情况、微观组织演变进行分析讨论。结果表明:工业纯锆经过不同参数的HESP处理,表层晶粒被细化至纳米级,并且引入了残余压应力,表层残余应力随着喷丸处理时间的增加,先增加后减小,最大残余应力和最大残余应力场深度随喷丸处理时间的增加逐渐增加;同时随着喷丸时间的增加,试样表层微观畸变逐渐增大,相同处理参数下试样从表层至基体微观畸变逐渐减小;在拉拉疲劳加载条件下,相比于原始试样,表面纳米化工业纯锆的疲劳极限提高了23%。疲劳加载过程中,表面纳米化工业纯锆孪晶区的孪晶分数随着加载的进行逐渐增加,210MPa应力加载下,循环加载10~3周次到5×10~5周次,孪晶分数由5.8%增加到9.4%;320MPa应力加载下,循环加载10~3周次到5×10~4周次,孪晶分数由8.4%增加到14.0%,孪晶分数的增加,强化了孪晶栅栏效应,有效增强了表面纳米化纯锆的疲劳强度。基体中尚未产生孪晶,只出现大小角度晶界变化。采用两种应力加载进行间断拉拉疲劳实验,研究表面纳米化工业纯锆残余应力在疲劳过程中的释放规律。210MPa应力加载时,经过100、10~3、5×10~5、8×10~5次循环加载后,表层残余应力分别释放29.7%、40.0%、62.0%、63.3%,前100周次释放量占总释放量的51.6%;320MPa应力加载时,经过100、10~3、5×10~4次循环加载后,表层残余应力分别释放58.0%、80.0%、84.7%,前100周次释放量占总释放量的70.8%,高应力加载时残余应力释放量更大。表层残余应力和加载周次之间存在显著线性对数关系,残余应力释放和循环加载过程中表层晶粒的粗化以及位错密度的变化有密切的联系。
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