失稳氧化的影响因素

(1) 合金成分

按照锆合金的三大体系划分，在合金的添加元素中，影响最大的是Sn和Nb，其中Sn是α相稳定元素，Nb是β相稳定元素。

BARBERIS通过试验发现，在含1.2%（质量分数，下同）Sn的Zr-4合金氧化膜中t-ZrO2相含量较高且晶粒尺寸较小（小于30nm），在含0.8%Sn的Zr-4合金氧化膜中t-ZrO2相含量较低且晶粒尺寸较大（大于30nm）。

BAEK等在1000℃蒸汽环境中对Z4､ZL和H5三种合金进行了高温氧化试验，研究了合金中Sn含量和Nb含量对失稳氧化的影响，结果发现Nb含量对失稳氧化的影响不大，但减少Sn含量可推迟合金发生失稳氧化的时间。

(2) 晶粒形貌

锆合金表面形成的氧化物晶粒尺寸很小，通常为几十纳米。从形貌角度来说，锆氧化形成的氧化膜有柱状晶和等轴晶两种晶粒类型。研究发现，柱状晶沿氧化方向紧密排列，位于氧化膜内侧，对氧的扩散有一定的阻挡作用，等轴晶主要分布在氧化膜外侧，通常疏松多孔，另外等轴晶晶粒尺寸较小，增加了晶界面积，相对于体扩散氧更易沿晶界扩散，因此等轴晶为氧的扩散提供短路通道。所以晶粒形貌对氧化膜的生长有重要影响。除此之外，晶粒形貌与晶体结构也有一定的关系。

YILMAZBAYHAN和KIM等认为，在高温高压水中氧化时等轴晶存在于t-ZrO2含量高的位置，柱状晶主要为m-ZrO2，然而WADMAN等在Zr-4合金氧化膜外侧观察到柱状t-ZrO2。失稳氧化与t-ZrO2向m-ZrO2转变的相变有关，故有必要研究氧化膜的晶粒形貌与晶体结构的关系。

(3) 第二相粒子

第二相粒子对锆合金的氧化行为有重要影响。这主要是因为t-ZrO2相被压应力稳定，而压应力的来源除了锆基体氧化，还有第二相粒子的氧化。第二相粒子与锆基体的氧化行为不同，有些第二相粒子相比于基体延迟氧化，有些则是与基体同时氧化。具有延迟氧化特征的第二相进入氧化膜，当基体与第二相粒子结合不紧密时，如图3(a)所示，金属基体氧化体积膨胀，与第二相之间产生空隙，形成气孔；当基体与第二相粒子结合紧密时，如图3(b)所示，周围金属基体氧化带来的体积膨胀会对第二相粒子与外侧氧化物界面产生拉应力，导致微裂纹的产生。