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摘 要：本文综述了锆合金中的氢化物在外加应力条件下，氢化物在不同的影响因素—应力、氢含量、溶解温度、热循环、冷却速度等发生再取向的情况。主要是通过分析国内外对Zr-Sn系和Zr-Nb系中氢化物应力再取向的研究规律及理论分析，为研究新型锆合金Zr-Sn-Nb系中的氢化物应力再取向及性能优化提供理论依据。
关键词：锆合金；氢化物；应力再取向
自从1961年美国Savannch重水堆报道了由于包壳管中径向氢化物大量析出，使Zr-2包壳管破损。引起了对锆合金中氢化物的重视。几十年来，研究者对氢化物和它引起的氢脆现象进行了广泛的研究。目前，通过控制水质。锆中添加合金元素、晶粒度、压制工艺、热处理、残余应力和燃料元件运行制度等措施，基本上可以控制氢化物按有利的方向析出，减少氢脆的危险，防止包壳管破损。但是在反应堆运行的工况下，由于功率调整，温度波动，芯块肿胀，包壳倒塌等都会对包壳管产生周向应力，而氢化物在应力的作用下，倾向于垂直于拉应力平行于压应力方向析出，因此存在氢化物应力再取向的问题。
国内外对锆合金的氢化物再取向已经做了许多研究。径向氢化物的形成与许多因素—应力、氢含量、溶解温度、热循环、冷却速度、织构以及残余应力等有关。氢化物应力再取向的原理是低密度的氢化物垂直于张应力方向析出，可以减少应变能，从而使应力得到松弛。氢化物应力再取向的产生是通过形核的取向，而不是核的优先生长。
在这些因素中，径向氢化物的形成主要与应力有关。Marshall对Zr-2和Zr-4进行了仔细研究，发现管的切向拉应力对氢化物影响较大，而轴向拉应力对氢化物取向几乎没有影响。当存在张应力时，应力取向仅出现在产生压应变的方向。当存在压应力时，应力取向既可以在张应变，也可以在压应变方向。基本可以确定，当应力超过氢化物再取向的阈值时，随着环向应力增加，氢化物再取向程度越明显，径向氢化物数量增加，最后都趋于稳定。
加热时溶解的氢化物，在冷却过程中处于应力的作用下，析出的氢化物取向与拉应力垂直，与压应力平行。该现象通常与临界值—应力阈值有关，当周向应力低于该值时，不会发生氢化物再取向现象。氢化物取向的应力阈值与氢含量、温度、织构及残余应力等有关。对于环向拉伸的样品，在400℃时，氢含量为200ppm时，应力阈值为72MPa，当氢含量为560～770ppm时，应力阈值在115～140MPa之间。可见，随着氢含量的增加，氢化物再取向的应力阈值呈增加的趋势。在不同的温度下，氢化物再取向的应力阈值，也是存在差异的。Qin.和Singh等人报告中指出，在294℃和300℃时，氢化物应力取向阈值分别为265MPa和200～220MPa之间。而Colas指出，温度为250～550℃时，氢化物应力再取向阈值在75～90MPa之间。尽管这些研究成果中，存在冲突的部分，但是仍然可以明确的是随着再取向温度温度的增加，材料的屈服强度降低，氢化物取向的应力阈值有所降低。对于这些数值，不能仅仅从横向比较，其中许多其它因素也必须考虑在内，做出较为准确的结果。目前国外研究者可以通过半厚度法及有限元分析方法来分析氢化物再取向的应力阈值，但仍然没有形成统一的确定标准。
氢在锆合金中的溶解度随温度的不同，变化很大。如在400℃时，溶解度为200ppm，而在200℃时，氢的溶解度仅为15ppm。在200℃ 400℃的热循环过程中，氢含量为220ppm的Zr-4合金，随着热循环次数的增加，氢化物再取向程度越明显，并且氢化物应力再取向的阈值也会有所降低。但当应力太小时，即使增大热循环次数，也不会使氢化物发生再取向。升温或保温时无应力作用，则不存在优先溶解和析出的现象，若只在降温过程中施加应力，氢化物再取向程度会明显降低。在升温时，平行于张应力方向的氢化物优先溶解，降温时，则优先在垂直于张应力方向析出，并且已存在的氢化物对后续氢化物形核和长大有促进作用。因此通过氢在温度循环时的溶解和重新析出，可以充分显示在应力作用下氢化物的再取向规律。热循环对氢化物再取向的强化效果可能归因于氢化物的不完全溶解。H.C.Chu对Zr-4合金在应力作用下进行热循环和等温处理，结果表明热循环对氢化物再取向的影响比等温退火更显著。在热循环区间内，氢在α-Zr中的溶解度变化越大，越有利于氢化物发生应力再取向。
氢化物再取向程度随着氢含量的增加，先增加后降低。Zr-4合金在溶解温度为400℃时，当氢含量太少（130ppm）时，在保温过程中，氢化物就已经全部溶解，没有残留的氢化物存在，对后续的氢化物形核不能起促进作用。并且只有在进一步降温的过程中，超过固溶度时，才会存在氢化物的析出。而在较低的温度下，氢化物再取向的应力阈值增加，并且氢原子的扩散率相对较小，应力对氢化物的影响程度降低，因此会降低氢化物再取向的程度，不利于径向氢化物的形成。当氢含量太多（600ppm）时，由于只有被溶解的氢化物在析出时才可能发生应力再取向，而未被溶解的氢化物仍然呈环向分布。氢浓度的增加迫使氢原子在不利的情况下成核，而这些未溶解氢化物没有参与径向氢化物的形成，因此导致由环向氢化物转变为径向氢化物的比例降低，氢化物的取向因子减小。对于氢含量较高的样品，可以通过增加热循环次数，适当提高径向氢化物的数量。H.C.Chu等表示，当氢含量为200～300ppm时，在适当的应力和热循环条件下，氢化物几乎可以发生全部再取向，形成径向氢化物。
Su-Jeong Min等研究了不同冷却速度对Zr–Nb合金中氢化物再取向的影响。研究表明冷却速度过快时，温度和时间都限制氢原子的形核和扩散，不能充分利用氢化物在应力诱发下形棱和长大，不利于氢化物应力再取向。氢化物取向因子较小，氢化物的长度越短。因此冷却速度越快，氢化物发生径向取向的比例较小，并且所形成的径向氢化物条较短。而较慢的冷却速度可以提供足够的时间使氢原子扩散，在有利的位置析出，因此有利于氢化物发生再取向。
氢化物再取向还与晶粒尺寸和织构有关。晶粒细小，氢化物析出的惯析面分布在有利方向的几率增加，容易使氢化物发生应力再取向。若管材主要是径向基极织构，氢化物呈环向分布，并且在应力作用下，不易发生氢化物再取向。若切向基极织构所占的比例越多，越易发生氢化物再取向。
锆合金的特性及其工作环境决定其不可避免的会在工作过程中不断吸氢，也决定了锆合金的研究过程永远伴随着氢这一主题。在反应堆的长期运行中，吸氢导致材料性能恶化。其中氢化物的取向对包壳管的性能有显著的影响，特别是在停堆换料的过程中，随着温度的降低，氢在锆合金中的固溶度明显减小，芯块对其产生较大的环向应力，固溶的氢在析出过程中，存在应力再取向效应，对锆合金力学性能的危害十分显著。国内外对Zr-Sn系和Zr-Nb系合金所做的氢化物取向研究较多，但对新型锆合金Zr-Sn-Nb系的氢化物取向研究还较少。因此进一步研究氢在Zr-Sn-Nb锆合金的行为及其对力学性能的影响，以便科学地对包壳管的堆内行为进行评价，获得有关结构、性能方面的数据和经验，反馈到燃料组件设计、制造和运行部门，为反应堆的寿命评估和提高国产燃料棒质量、加深燃耗、改善性能，并为提高反应堆安全系数提供可靠依据。■
作者简介：
谢梦（1989-），女，汉族，四川南充人，硕士研究生，成都理工大学材料与化学化工学院，在读硕士研究生，研究方向：金属材料。
关键词：锆合金；氢化物；应力再取向
自从1961年美国Savannch重水堆报道了由于包壳管中径向氢化物大量析出，使Zr-2包壳管破损。引起了对锆合金中氢化物的重视。几十年来，研究者对氢化物和它引起的氢脆现象进行了广泛的研究。目前，通过控制水质。锆中添加合金元素、晶粒度、压制工艺、热处理、残余应力和燃料元件运行制度等措施，基本上可以控制氢化物按有利的方向析出，减少氢脆的危险，防止包壳管破损。但是在反应堆运行的工况下，由于功率调整，温度波动，芯块肿胀，包壳倒塌等都会对包壳管产生周向应力，而氢化物在应力的作用下，倾向于垂直于拉应力平行于压应力方向析出，因此存在氢化物应力再取向的问题。
国内外对锆合金的氢化物再取向已经做了许多研究。径向氢化物的形成与许多因素—应力、氢含量、溶解温度、热循环、冷却速度、织构以及残余应力等有关。氢化物应力再取向的原理是低密度的氢化物垂直于张应力方向析出，可以减少应变能，从而使应力得到松弛。氢化物应力再取向的产生是通过形核的取向，而不是核的优先生长。
在这些因素中，径向氢化物的形成主要与应力有关。Marshall对Zr-2和Zr-4进行了仔细研究，发现管的切向拉应力对氢化物影响较大，而轴向拉应力对氢化物取向几乎没有影响。当存在张应力时，应力取向仅出现在产生压应变的方向。当存在压应力时，应力取向既可以在张应变，也可以在压应变方向。基本可以确定，当应力超过氢化物再取向的阈值时，随着环向应力增加，氢化物再取向程度越明显，径向氢化物数量增加，最后都趋于稳定。
加热时溶解的氢化物，在冷却过程中处于应力的作用下，析出的氢化物取向与拉应力垂直，与压应力平行。该现象通常与临界值—应力阈值有关，当周向应力低于该值时，不会发生氢化物再取向现象。氢化物取向的应力阈值与氢含量、温度、织构及残余应力等有关。对于环向拉伸的样品，在400℃时，氢含量为200ppm时，应力阈值为72MPa，当氢含量为560～770ppm时，应力阈值在115～140MPa之间。可见，随着氢含量的增加，氢化物再取向的应力阈值呈增加的趋势。在不同的温度下，氢化物再取向的应力阈值，也是存在差异的。Qin.和Singh等人报告中指出，在294℃和300℃时，氢化物应力取向阈值分别为265MPa和200～220MPa之间。而Colas指出，温度为250～550℃时，氢化物应力再取向阈值在75～90MPa之间。尽管这些研究成果中，存在冲突的部分，但是仍然可以明确的是随着再取向温度温度的增加，材料的屈服强度降低，氢化物取向的应力阈值有所降低。对于这些数值，不能仅仅从横向比较，其中许多其它因素也必须考虑在内，做出较为准确的结果。目前国外研究者可以通过半厚度法及有限元分析方法来分析氢化物再取向的应力阈值，但仍然没有形成统一的确定标准。
氢在锆合金中的溶解度随温度的不同，变化很大。如在400℃时，溶解度为200ppm，而在200℃时，氢的溶解度仅为15ppm。在200℃ 400℃的热循环过程中，氢含量为220ppm的Zr-4合金，随着热循环次数的增加，氢化物再取向程度越明显，并且氢化物应力再取向的阈值也会有所降低。但当应力太小时，即使增大热循环次数，也不会使氢化物发生再取向。升温或保温时无应力作用，则不存在优先溶解和析出的现象，若只在降温过程中施加应力，氢化物再取向程度会明显降低。在升温时，平行于张应力方向的氢化物优先溶解，降温时，则优先在垂直于张应力方向析出，并且已存在的氢化物对后续氢化物形核和长大有促进作用。因此通过氢在温度循环时的溶解和重新析出，可以充分显示在应力作用下氢化物的再取向规律。热循环对氢化物再取向的强化效果可能归因于氢化物的不完全溶解。H.C.Chu对Zr-4合金在应力作用下进行热循环和等温处理，结果表明热循环对氢化物再取向的影响比等温退火更显著。在热循环区间内，氢在α-Zr中的溶解度变化越大，越有利于氢化物发生应力再取向。
氢化物再取向程度随着氢含量的增加，先增加后降低。Zr-4合金在溶解温度为400℃时，当氢含量太少（130ppm）时，在保温过程中，氢化物就已经全部溶解，没有残留的氢化物存在，对后续的氢化物形核不能起促进作用。并且只有在进一步降温的过程中，超过固溶度时，才会存在氢化物的析出。而在较低的温度下，氢化物再取向的应力阈值增加，并且氢原子的扩散率相对较小，应力对氢化物的影响程度降低，因此会降低氢化物再取向的程度，不利于径向氢化物的形成。当氢含量太多（600ppm）时，由于只有被溶解的氢化物在析出时才可能发生应力再取向，而未被溶解的氢化物仍然呈环向分布。氢浓度的增加迫使氢原子在不利的情况下成核，而这些未溶解氢化物没有参与径向氢化物的形成，因此导致由环向氢化物转变为径向氢化物的比例降低，氢化物的取向因子减小。对于氢含量较高的样品，可以通过增加热循环次数，适当提高径向氢化物的数量。H.C.Chu等表示，当氢含量为200～300ppm时，在适当的应力和热循环条件下，氢化物几乎可以发生全部再取向，形成径向氢化物。
Su-Jeong Min等研究了不同冷却速度对Zr–Nb合金中氢化物再取向的影响。研究表明冷却速度过快时，温度和时间都限制氢原子的形核和扩散，不能充分利用氢化物在应力诱发下形棱和长大，不利于氢化物应力再取向。氢化物取向因子较小，氢化物的长度越短。因此冷却速度越快，氢化物发生径向取向的比例较小，并且所形成的径向氢化物条较短。而较慢的冷却速度可以提供足够的时间使氢原子扩散，在有利的位置析出，因此有利于氢化物发生再取向。
氢化物再取向还与晶粒尺寸和织构有关。晶粒细小，氢化物析出的惯析面分布在有利方向的几率增加，容易使氢化物发生应力再取向。若管材主要是径向基极织构，氢化物呈环向分布，并且在应力作用下，不易发生氢化物再取向。若切向基极织构所占的比例越多，越易发生氢化物再取向。
锆合金的特性及其工作环境决定其不可避免的会在工作过程中不断吸氢，也决定了锆合金的研究过程永远伴随着氢这一主题。在反应堆的长期运行中，吸氢导致材料性能恶化。其中氢化物的取向对包壳管的性能有显著的影响，特别是在停堆换料的过程中，随着温度的降低，氢在锆合金中的固溶度明显减小，芯块对其产生较大的环向应力，固溶的氢在析出过程中，存在应力再取向效应，对锆合金力学性能的危害十分显著。国内外对Zr-Sn系和Zr-Nb系合金所做的氢化物取向研究较多，但对新型锆合金Zr-Sn-Nb系的氢化物取向研究还较少。因此进一步研究氢在Zr-Sn-Nb锆合金的行为及其对力学性能的影响，以便科学地对包壳管的堆内行为进行评价，获得有关结构、性能方面的数据和经验，反馈到燃料组件设计、制造和运行部门，为反应堆的寿命评估和提高国产燃料棒质量、加深燃耗、改善性能，并为提高反应堆安全系数提供可靠依据。■
作者简介：
谢梦（1989-），女，汉族，四川南充人，硕士研究生，成都理工大学材料与化学化工学院，在读硕士研究生，研究方向：金属材料。