铀及其合金材料在核能和国防工业领域中有重要的应用。金属铀具有很高的化学活性,在氢气氛环境中易发生氢化腐蚀。铀的氢腐蚀是一种特殊的点状腐蚀,氢腐蚀表面破裂,导致材料表面完整性缺失和力学性能降低。另外,氢腐蚀反应产物极易自燃,氢化物粉末往往会形成放射性气溶胶并污染环境。铀及铀合金的氢化腐蚀被认为是工程应用中的重要危害之一,因此,无论是从工程应用还是基础研究层面考虑,关于铀的氢腐蚀行为、机制和影响因素的研究都具有重要意义。从20世纪40年代以来,铀与氢的反应始终被相关研究工作者重点关注,铀的氢腐蚀研究内容主要涉及氢化动力学、组织形貌学和表面科学。影响铀材料氢化腐蚀的因素包括温度、氢气压力、杂质气氛等环境因素和材料表面氧化层、杂质元素、晶界、孪晶、相界面、夹杂物和残余应力等材料学因素。由于金属铀氢点状腐蚀特性,其氢化物的形核长大一直是相关研究的热点。目前虽已取得相当的研究成果,但是对金属铀氢腐蚀的影响因素研究仍不深入,也不全面,其中,经历不同条件热处理后金属铀及其合金的氢腐蚀行为会发生怎样变化,变化趋势是否一致,成因是什么,以及金属铀经过变形后其氢腐蚀行为是否会受到影响等问题都尚未得到解决。另外,铀及其合金的氢化物初始形核影响机制还一直存在争议,对氢化物的生长机理还未形成清晰的认识。而对U-Nb合金的氢腐蚀问题,已开展的相关研究工作更是十分有限。根据以上所述,本文以金属铀和U-Nb合金为研究对象,分别针对不同热处理态（淬火（WQ）、空冷（AC）、炉冷（FC））和不同应变状态（1.5%、4%、10%拉伸、压缩）金属铀及400℃时效U-Nb合金的氢腐蚀行为特性开展了系统性的研究工作,重点关注了铀及U-Nb合金微观组织结构和应力的协同作用对氢化物成核、扩张的影响规律及机制,特别是对铀及铀合金氢化物生长微观机制进行了深入的讨论,取得了一系列有意义的研究结果。本文得到主要结论如下:（1）揭示了金属铀氢腐蚀坑深度与直径的比值随热处理和应变条件的变化规律,具体表现为:热处理态WQ>AC>FC,压缩变形1.5%<4%<10%,拉伸变形情况下则无明显差异。同时阐明了上述变化规律的原因,即热处理和变形处理改变了材料内部的组织结构和应力分布,相同条件下氢化反应后,各状态下金属铀氢腐蚀坑的扩张方式存在明显差别,主要为:高温热处理后随着冷却速率的加快,材料内部形成的孪晶数量增多,同时累积更大的应力,导致氢化反应造成的腐蚀坑的深度与直径的比值增大,腐蚀趋向垂直材料表面向其内部扩张;随压缩变形量的增大,材料内部孪晶密度增大的同时产生大量小角度晶界,氢腐蚀坑更易向内部扩张。因此,金属铀的微观组织和应力状态是影响其氢化物长大及扩张行为的关键因素。（2）阐明了金属铀表面腐蚀坑附近氢化物的扩张方式:WQ和低应变量拉伸及压缩状态下金属铀表面较大腐蚀坑周围形变孪晶上出现密集排列的第一类氢蚀点;随着应变量的增大,腐蚀坑周围形成一定面积表面未破裂的膨胀区域。明确了材料微观组织差异对氢腐蚀坑附近区域形貌的影响规律:应变量1.5%时为排列整齐且密集的第一类形核点,孪晶为主要影响因素;拉伸应变量为4%、10%和压缩应变为4%时表现为表面平滑的大面积膨胀区域,孪晶密度大且排列密集,腐蚀坑周围的氢化物沿孪晶扩张,形成表面未破裂的膨胀区域;压缩应变为10%时表现为大量第一类形核点长大结合成的膨胀区域,小角度晶界为主导因素。此外,应变量较小（1.5%）时,氢腐蚀点的临界破裂尺寸较小,随着应变量增大,氢蚀点的临界破裂尺寸也变大。压缩应变为4%时的氢蚀点的临界破裂尺寸最大,腐蚀趋向于沿表面进行。（3）给出了铀氢反应微观组织是U-Nb合金氢化物生长主导因素的结论。400℃中温时效过程中U-Nb合金会出现特殊的针状组织,氢化物沿晶内这些针状组织生长扩张并形成特殊的枝状形貌。在这一温度下,随着时效时间延长,U-Nb合金的组织结构逐渐演变,首先沿晶界和夹杂等处发生相分解,形成双相珠光体组织,相组成由α"相向α+γ1-2转变,晶粒内部由马氏体孪晶转变为针状中间组织继而向双相珠光体转变;氢化物沿着针状组织生长成为枝状氢化物区域,沿着珠光体组织生长为鳞片状氢化物区域。（4）发展了新一代氢化物生长模型—铀氢反应微观孕育期模型。该模型描述了在微观尺度下,铀及U-Nb合金氢化反应过程中反应前沿向前推进的方式,即氢在材料中孪晶、位错、杂质原子等特殊位点处聚集,微观孕育期后达到氢化反应的临界浓度,生成纳米尺度的氢化物,后续长大、结合后导致反应前沿向前推进。根据该模型,虽然金属铀及U-Nb合金在成分和微观组织上存在很大差异,但本质上氢化物的扩张都遵循上述模型,氢在组织中特殊位点聚集,经过一个微观孕育期后,形成氢化物,后续长大并结合,宏观表现为氢化物的成核、长大扩张。通过本论文研究工作,给出了孪晶和应力的协同作用能够促进形核的发生并影响后续氢化物长大方式的证据;发展了铀及铀合金氢化物生长的微观孕育期模型,揭示了铀及U-Nb合金氢化反应机制;丰富了铀及铀合金氢腐蚀数据库,为铀氢腐蚀评价标准的建立提供关键数据,为后续工程上铀及铀合金防腐蚀研究提供了新的实验依据和理论支撑。