锆合金由于具有较低的热中子吸收截面、优异的耐腐蚀性能和良好的力学性能等特点,被广泛用作反应堆燃料元件包壳管。锆包壳在反应堆中服役时会受到冷却介质的腐蚀,腐蚀产生的氢会被包壳吸收。锆合金吸氢会严重损害其力学性能,增加其脆性,影响反应堆的安全稳定运行。关于氢对锆合金力学性能的影响,目前研究者主要关注的是氢对其宏观力学性能的影响,而关于氢含量对锆合金微观变形行为和变形机制的影响还缺乏深入系统研究。基于上述背景,本文首先研究了锆合金的吸氢规律,在此基础上,研究了氢含量对锆合金力学行为及微观变形机制的影响,具体研究内容包括:锆合金的电解吸氢规律;氢含量对锆合金板状试样拉伸变形行为的影响规律;氢含量对锆合金环状试样环向变形行为的影响规律;氢含量对锆合金疲劳裂纹萌生与扩展行为的影响规律。研究了电解渗氢时间和退火工艺对SZA-4锆管吸氢量、氢化物类型及分布的影响规律。结果表明,随渗氢时间延长,锆管吸氢量增加,吸氢量与渗氢时间之间满足抛物线关系。结果还表明,锆管吸氢后在其表面形成氢化物层,随渗氢时间延长,氢化物层厚度增加。对氢化物层相结构分析表明,渗氢初期,氢化物层由δ-ZrH1.66相组成;随渗氢时间延长,δ-ZrH1.66相的含量逐渐增加;当渗氢24 h时,氢化物层中出现了 ε-ZrH1.801相。对渗氢锆管400℃/6h退火处理后,氢化物层厚度增加,且试样内部析出粗大的条状氢化物。相结构分析显示,此时氢化物层中ε-ZrH1.801相消失,原来的δ-ZrH1.66转变为δ-ZrH1.5。而经400℃/96 h退火处理后,氢化物层消失,锆管中析出细小均匀的条状氢化物。基于这些研究结果,建立了锆管电解吸氢时微观组织结构演变模型,得到了消除氢化物层的退火工艺。通过对不同氢含量的Zr-4合金板状试样进行RT和300℃原位拉伸试验,研究了氢含量对其拉伸变形行为的影响,结合TEM观察分析了不同氢含量试样的微观变形机制。力学性能结果显示,RT时,随氢含量增加,试样的强度由407 MPa增加到508 MPa,断面收缩率由51%下降到7.9%;而300℃时,随氢含量增加,试样的强度由246 MPa增加到318 MPa,断面收缩率由66%下降到52.9%。原位观察表明,RT拉伸变形时,随氢含量增加,试样表面滑移线数量减少,晶粒扭转程度降低,裂纹数量增多。断口观察表明,试样逐渐从延性断裂变为脆性断裂,出现韧-脆转变现象。TEM观察表明,试样内部的氢化物会阻碍位错运动,位错在氢化物处塞积,当氢化物数量增多时,氢化物之间会发生交叉或碰撞,并在其周围形成大量位错。而300℃拉伸时,随氢含量增加,无氢和吸氢试样表面都出现大量滑移线,晶粒发生显著扭转和拉长,表明其发生了较大塑性变形。拉伸断口均呈延性断裂特征。TEM观察显示,氢化物可发生弯曲或扭折,其变形能力明显增加。这些结果表明,RT时氢含量对锆合金的延性影响较大,而300℃时氢含量对其延性影响较小,氢化物数量是影响其室温延性的主要原因。通过对不同氢含量的锆合金环状试样进行鼓胀试验和环向拉伸试验,研究了氢含量对其环向变形行为的影响,结合原位SEM观察分析了吸氢锆合金环状试样的失效机制。力学性能结果表明,随氢含量增加,试样鼓胀变形时断裂载荷及延性均降低,且氢含量超过300 ppm时性能降低尤为显著。微观观察发现,吸氢试样环向变形时外表面会出现沿其轴向分布的裂纹,且随氢含量增加,裂纹数量增多,尺寸增大,试样逐渐由延性断裂变为脆性断裂。此外还发现,试样环向拉伸变形时,周向氢化物可以和基体一起变形,而径向氢化物易于形成裂纹,且随变形程度增加,裂纹数量增多,尺寸增大,最终导致试样沿径向断裂。这些研究表明,径向氢化物对锆管鼓胀(环向拉伸)断裂起主要作用,并建立了基于氢化物分布的锆管环向拉伸变形的断裂模型。通过对不同氢含量的Zr-4合金板状试样进行RT和300℃原位疲劳试验,研究了氢含量对其疲劳裂纹萌生与扩展行为的影响。疲劳性能结果表明,RT时,随氢含量增加,试样的疲劳寿命表现出先增加后降低的趋势(临界点约为200ppm氢),而其疲劳裂纹扩展速率却表现出单调增加的趋势。300℃时,随氢含量增加,试样的疲劳寿命与RT时变化规律相同,但疲劳裂纹扩展速率随氢含量增加变化不大。微观机制分析表明,氢化物对促进疲劳裂纹扩展有显著作用,氢化物数量增多,裂纹扩展路径增多,疲劳裂纹扩展速率加快。而氢含量对锆合金疲劳寿命的影响表现出双重性,随氢含量增加,其强度增加,可以提高其疲劳性能,但随氢含量增加,氢化物数量增多,又会降低其疲劳性能。因此,随氢含量增加,试样的疲劳寿命表现出先增后降的趋势,其转折点与氢化物数量相关。此外,氢含量对试样的疲劳裂纹萌生机制也有重要影响,未吸氢试样的疲劳裂纹在亚表面萌生,而吸氢试样的疲劳裂纹在表面萌生,这表明氢含量对其疲劳裂纹萌生寿命具有显著影响。