The effects of hydride morphology on the axial fracture toughness of cold-worked Zr - 2.5 wt% Nb pressure tube material have been determined at room temperature and 240℃. To obtain various hydride morphology, specimens containing 50, 120 and 200 ppm hydrogen were cooled at three different rates: Water-quenching, air-cooling and furnace-cooling. The hydride morphology was observed with optical microscope. The crack extension during fracture toughness testing was measured using direct current potential drop method. Fracture toughness characterized by maximum load toughness, J-R curve and initial slope of the J-R curve was discussed with the hydride morphology.
As cooling rate increased, the hydride distribution was varied from uniform and continuous to irregular and discrete, and the hydride size and interhydride spacing decreased. The influence of hydrogen concentration was to increase the hydride size and interhydride spacing. In the case of air-cooling, the variation of hydride orientation was due to residual stress produced during rapid cooling. Materials with closely spaced and large hydrides exhibited very low toughness at room temperature due to insufficient matrix material to blunt a crack travelling between the hydride platelets and little or no plastic deformation necessary to fracture large hydrides. The increase in fracture toughness of the water-quenched with 50 ppm hydrogen and tested at room temperature was due to dispersion hardening by small intragranular α hydride. The upper shelf toughness level and increase in the slope of the J-R curves at 240℃ were resulted from a loss of triaxial constriaint at the crack tip with increasing temperature, because of increasing plasticity corresponding to a reduction in flow stress, which made it difficult to sustain stress large enough to crack individual hydrides.
수소화물의 형상이 냉각가공된 Zr-2.5 wt% Nb 압력관의 축방향 파괴인성에 미치는 영향을 상온과 240℃에서 조사하였다. 다양한 수소화물의 형상을 얻기 위해 50, 120, 200ppm의 수소가 주입된 시편을 수냉, 공냉, 노냉의 세 가지의 다른 율로 냉각시켰다.
수소화물의 형상은 광학현미경으로 관찰하였다. 파괴인성시험 중의 균열진전은 직류전압강하법으로 측정하였다. 최대응력파괴인성, J-R곡선, J-R곡선의 초기 기울기로 특징지운 파괴인성을 수소화물의 형상과 연관하여 고찰하였다.
냉각속도가 증가함에 따라, 수소화물은 균일하고 연속적인 분포에서 불규칙하고 불연속적인 분포로 바뀌었고, 수소화물의 크기와 수소화물간 거리는 감소했다. 수소농도의 영향은 수소화물의 크기와 수소화물간의 거리를 증가시키는 것이었다. 공냉의 경우, 수소화물의 방향성 변화는 갑작스런 냉각중에 생성된 잔류응력에 의한 것이었다. 가깝게 집적되어있는 큰 수소화물을 포함한 재질은 상온에서 매우 낮은 파괴인성을 보였는데, 수소화물 사이를 진전하는 균열을 벌릴 수 있는 모재가 불충분하고, 큰 수소화물을 파괴시키는데 모재의 변형이 거의 불필요했기 때문이었다. 상온에서 50ppm의 수소를 포함하고 수냉된 시편의 파괴인성 증가는 작은 입내 α 수소화물에 의한 분산강화 때문이었다. 240℃에서의 상한파괴인성 (upper shelf fracture toughness)과 J-R 곡선의 기울기 증가는 온도가 증가함에 따른 균열 앞에서의 삼축응력상태의 상실에 기인하며, 유동응력의 감소에 해당하는 소성의 증가에 따라 수소화물의 균열생성에 필요한 충분한 응력을 지탱할 수 없기 때문이다.
