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1、B4C/Al中子吸收材料的拉伸断口特征及分析摘要：通过B4C/A1中子吸收材料在室温至350C的拉伸试验，分析了该材料的拉伸断裂主要影响因素，阐 述了 B4C颗粒粒度对拉伸断裂的影响。结果表明，温度对B4C/A1材料拉伸性能有明显影响，该中子吸收材 料是低塑性材料，但与国外同类材料相比拉伸性能优良大颗粒叩与基体的协调变形能力差，拉应力下 B4C和基体铝界面易产生剪切应力，使其与基体脱离开；B4C/A1材料在拉伸过程中，裂纹首先在大颗粒B4C 与A1基体的界面处产生。关键词：中子吸收材料；BC/A1 ；拉伸性能；断口特征4核反应堆卸出的乏燃料要实现高密度贮存，通常在乏燃料贮存格架或运输容 器中安
2、装固态中子吸收材料，以确保在密集贮存中乏燃料阵列有足够的安全裕量， 防止出现意外临界事故。BC/A1材料是一种可以用在乏燃料贮存格架和运输容器中的优良的中子吸 4._,、 、一 .收材料，在美国研究和应用已经超过40年，目前仍在进行该类材料新工艺的研 发，而我国对BC/A1中子吸收材料的系统研究较少。尽管在乏燃料贮存格架上4已使用的BC/A1仅作为中子吸收材料而不作为结构材料，对其力学性能没有更 4多要求，但一定强度的BC/A1材料对维持其使用寿命有重要作用。鉴于此，本、._ 4. 、 文研究了 A1包壳包覆的BC/A1中子吸收板在常温及高温下的力学性能及断口特 点，为改进材料的制备工艺提供参
3、考。1实验材料和方法1.1实验材料有包壳包覆的BC/A1中子吸收材料，BC/A1名义质量含量为30%，包壳厚度 (0.250.01)mm，B C/A1 芯体厚度(2.000.01)mm，芯体密度(2.610.02) 4g/cm2o1.2拉伸试验在乏燃料水池或是干式燃料贮运容器中，温度通常不会超过350C。因此 BC/A1中子吸收材料的拉伸试验温度范围为常温至 350 C。试验设备为美国4 一MTS810材料试验机，加载速率1mm/min；试验中米用的拉伸试样，参考国外用于 乏燃料贮运设备的金属基中子吸收材料测试规范。1.3组织分析采用FEI公司NanoSEM430扫描电镜分析B4C/Al材料的
4、显微组织及断口特征。2结果与分析42.1拉伸性能图1是BC质量分数为30%的BC/Al中子吸收材料在常温和高温下的拉伸曲 线。可看出，4温度对材料的力学性能有明显影响，随温度升高，材料的屈服强度 明显降低。表1是常温及高温下的拉伸数据，由此可见，材料的弹性模量及抗 拉强度受温度影响显著，伸长率小且随温度变化不明显，这表明BC/Al中子吸4收板是低塑性材料。与国外相同BC含量的Boral材料(一种BC/Al中子吸收材 料)相比，文中试验材料的拉伸性能优良。4ft mo 0,002o om a.oost(mm-mm rJ图1 IM7AI中于吸收板的应力应变曲线Fig.l Tensile stres
5、s-stram curves for B(C;AL neutronabsorber platesR1 BjC/Al 的拉忡性能Tab. 1 Tensik proper血 of BjC/AL plate抗拉强度/MPa屈服强度MFil弹性棋量4泗伸长率()常温167933罚W136.X113,2S4.34.S1即1 IMS时.Xy4.X260104.5Mfi.472.6罚75 576.15 52.2B4C/A1中子吸收板断口特征2.2.1常温断口组织图2是有包壳BC/Al中子吸收板的常温拉伸断口。从图2(a)可见， -.、-4一其包壳断口为韧窝断裂，靠近芯体区域有拉长的韧窝形貌，远离芯体的区 域
6、是包壳的拉伸紧缩区。从图2(b)可见，芯体内BC颗粒周围存在韧窝结 构，BC颗粒尺寸越小则颗粒周围韧窝越多。在拉伸断面上有沿大颗粒BC 的二次裂纹。在复合芯体和包壳结合界面没有因拉伸而产生孔隙和裂缝等 缺陷，表明芯体与包壳结合完整。图2有包亮中子吸收板常制椅伸断口Fig： Tensile ftacturc texture for IiX7Al. viih thJding airvom temperature对于B4C/A1试样拉伸断口，BC颗粒与基体结合处，尤其是大颗粒B4C 与基体结合处产生了二次裂纹。这种界面处缺陷的形成主要是：芯体中 BC颗粒与基体结合界面，由于材料性质不同易于产生应力集
7、中，当拉应 4力存在时易于产生裂纹。同时在拉伸变形过程中大粒度B C颗粒尖角处存4在较大的应力集中，BC与基体的协调变形能力差也是形成裂纹的原因。4若这些裂纹分布与拉应力方向垂直，则易使BC与基体脱离开，并在BC 上形成光滑断面，如图2(b)断口上的光滑大颗粒BC。由于BC本身含有 44缺陷或是在轧制过程中使BC颗粒产生裂纹，其在拉应力作用下易沿拉应 4力垂直方向发生断裂，也易于形成光滑的BC颗粒断面。42.2.2高温断口组织图3是在100到350C有包壳的BC/A1材料拉伸断口特征。在1004到260C时，包壳断口为韧窝断裂，靠近芯体区域有拉长的抛物线形韧窝 形貌，芯体内BC颗粒周围有大量韧
8、窝结构。在350C时，包壳断口形成 4涟波状花样，心体内为较小的拉长的网状韧窝；由于A1包壳及基体的延 性增加，包壳塑性变形形成的韧窝形貌明显减少，基体内韧窝变小。在拉 伸断面上，存在部分大颗粒BC断裂现象。在高温下，基体与BC颗粒有 44较好地协调变形能力。从图上可看出，在大粒度的BC颗粒与基体的结合4界面上的裂纹随温度升高而减少或消失，而较小的B C颗粒则与基体完全4致密结合。尽管随温度增加，基体延性增加，但由于BC塑性很低，且含4量较高，芯体内微孔的形成和扩展所需发生的变形量很小，宏观上BC/A14 表现为塑性变形能力弱，材料的伸长率较低。)ioor山顺|哥3 BQAjii样高混曲伸断口
9、的年检Fig3 Tensile fracture texture for BCAI pUies with cladding at high temperatures从常温及高温断口可推断，芯体优先在BC颗粒与基体的结合处产生 、一-.一一 . -.4 一、裂纹或孔洞，这取决于基体与BC的界面结合强度，BC颗粒的粒度、形44状等。裂纹产生主要是由于发生较大塑性变形后，BC颗粒处存在残余拉4应力与塑性基体变形不协调，BC和基体铝界面产生剪切应力。另外，从 一 4. 、 一 一 断裂模式看，BC/Al芯体的断裂属于韧窝形成、长大和聚集的断裂模式。 变形局限在颗粒间的基体内，并在基体中形成小孔洞，这些小孔洞长大、 聚集，直至试样最终断裂。由于BC颗粒不参与变形，基体中小的韧窝形 成后一旦穿过界面便迅速扩展，因此BC/Al材料在宏观上表现为脆性断 裂4裂O3结论（1）温度对BC/Al中子吸收板的屈服强度和抗拉强度影响明显，但 对伸长率影响小；该中子吸收板与国外同类材料相比，其拉伸性能优良。（2）大颗粒BC与基体的协调变形能力差，拉应力下BC和基体铝界面易产生剪切应力4使其与基体脱离开。4（3）在拉伸过程中，裂纹最先在BC颗粒与基体的结合处产生。4
