Page 25 - 理化检验-物理分册2023年第十期
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赵亚恒, 等: 锆合金中氢含量称重法、 化验法及金相法表征的相关性


            腐蚀等特点, 被广泛用作核燃料的包壳材料                    [ 1 ] 。在       笔者对锆合金管材和板材进行气态渗氢处理, 并
            反应堆运行过程中, 锆合金包壳管会与冷却介质发                            分别采用这3种方法进行检测, 以找出这些检测方法
            生腐蚀反应。材料发生腐蚀产生的氢一部分变成氢                             之间的相关性及适用范围, 以便更准确地掌控其氢含
            气进入冷却介质中, 另一部分则会被锆包壳吸收。                            量, 为后续的力学性能测试和分析提供数据支持。
            当锆包壳吸收的氢超过其固溶度极限时, 过剩的氢
                                                              1 试验材料及试验方法
            就会以氢化物的形式在其基体中析出                  [ 2 ] 。氢化物是
            一种脆性相, 其存在会降低锆合金的韧性, 严重影响                              试样所用的 Zr-4 合金管材和板材均为再结晶
            反应堆的安全稳定运行。近年来, 对氢对锆合金影                            退火态。管材和板材在核反应堆中分别用作包壳和

            响的研究已逐渐受到重视, 因此迫切需要深入全面                            包壳的固定板筋, 管材试样外径为9.5mm , 长度为


            地研究不同氢含量对锆包壳力学性能的影响。在这                            45mm , 壁厚为 0.5mm , 板材试样尺寸( 长 × 宽 ×



            一背景下, 如何准确获得不同氢含量的锆合金试样                            高) 为145mm×30mm×0.5mm 。采用气态渗氢
            成为开展后续力学性能评价的首要任务。                                 法进行渗氢。渗氢设备为储氢性能测试仪, 渗氢温
                 为了获得不同氢含量的锆合金, 首先要选用正                         度为500℃ , 所用氢源为高纯氢。渗氢时每次放入

            确的渗氢方法, 其次要选用合理的检测方法对其氢                           12个渗氢试样进行测试, 以提高分析的可靠性。
            含量进行评价。目前锆合金渗氢方法主要有电解渗                                 试验过程为: 首先, 利用气态渗氢法对每组试样

            氢法和气态渗氢法          [ 3 ] 。电解渗氢法的渗氢温度低               进行渗氢, 即将试样加热到500 ℃ , 保温30min后



            ( 60℃ ), 渗氢时间长, 一般需要8~24h , 低温下氢                   通入氢气进行渗氢; 再对渗氢后试样分别进行化验
            原子扩散速率慢, 容易在试样的表面形成一层氢化                            法、 称重法以及金相法检测; 最后再对其结果进行相
            物, 从而影响了氢含量的均匀分布               [ 4 ] 。相比之下, 气      关性研究。


            态渗氢法有着渗氢温度高( 450 ℃ ), 渗氢速率快                            称重法检测氢含量时, 选用精度为0.01m g 的

            ( 10min ) 的特点, 并且氢含量的分布均匀, 已被广泛                    电子天平对渗氢前后的试样分别称量, 从而计算出
            应用于锆合金的渗氢处理中。                                      其氢含量。该分析方法的精度也很高, 因此具有一
                 目前常用化学分析法、 称重法、 金相法等方法对                       定的有效性。
            氢含量进行检测。常用的化学分析法为惰气熔融红                                 金相法检测氢含量时, 采用先打磨抛光, 后化学
            外吸收法     [ 5-6 ] , 其原理是将试样高温熔融, 使其氢原               腐蚀的方法来显示氢化物数量。化学腐蚀溶液中氢
            子析 出 并 与 氧 化 铜 反 应 生 成 H 2O 。在 波 长 为               氟酸、 过氧化氢、 硝酸体积分数的比值为1∶1∶8 。用

            7.0 μ m 时, H 2O 对红外辐射的吸收与其浓度之间                    Ima g e-ProPlus 软件计算金相检验照片中氢化物的面

            遵循朗伯 - 比尔定律, 可以使用光电检测器检测红外                         积占比。由氢化物的面积占比推算氢含量时, 由于目
            吸收池光强的变化, 从而换算出其氢含量                   [ 7 ] 。这种    前还没有任何标准图谱, 因此结合文献[ 8-10 ] 中氢化
            方法的检测精度高, 但是受取样部位的限制, 具有很                          物的面积占比与氢含量的对照图来估算其氢含量。
            大的局限性, 只能反映某一点的氢含量, 不能体现整                              化验法检测氢含量时, 检测仪器为氮氢氧测试
            体试样的氢含量, 并且在氢含量不均匀的情况下, 特                          仪, 利用惰气熔融红外吸收法来检测试样的氢含量。
            别是有氢化物析出的情况下, 检测结果具有很大的
                                                              2 试验结果及分析
            波动性。
                 除了化学分析法( 简称化验法) 外, 锆合金中氢                     2.1 管状试样的称重法、 化验法及金相法表征
            含量的检测方法还有金相法及称重法等方法。金相                                 对锆合金管状试样进行渗氢处理, 渗氢的目标
            法是通过观察渗氢后氢化物的数量来评价锆合金中                             值分别为1×10 , 2×10 , 3×10 。渗氢后, 首
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            的氢含量。该方法较为直观, 并且测得的氢含量与                            先采用称重法及化验法对这些渗氢锆合金试样的氢
            力学性能相关。称重法则是利用试样吸氢后质量的                             含量进行了检测, 其结果如图1所示。由图1可知,
                                                                                     -4       -4      -4  的试
            增加来计算其氢含量。采用金相法计算氢含量时,                             对于目标渗氢量为1×10 , 2×10 , 3×10
            受试样本身的质量以及分析天平精度的影响, 其准                            样, 采用 称 重 法 检 测 其 氢 含 量 的 平 均 值 分 别 为

            确度不足, 误差较大, 但是该方法可以反映试样整体                         1.12×10 , 2.10×10 , 3.64×10 , 其每组数据
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            氢含量的状况, 且操作简便, 数据直观可靠。                             标准偏差分别为53 , 95 , 138 。采用化验法检测的氢
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