核电主管道用不锈钢不同温度热老化机理研究

发布时间：2020-08-19 15:23

【摘要】：铸造双相不锈钢(CDSS)由奥氏体和铁素体双相结构组成,由于其强度高、可铸造性好、抗应力腐蚀开裂能力强等特点而广泛应用于压水堆核电站一回路主管道等重要部件。然而,双相不锈钢在288~327℃温度范围内长期服役会发生热老化脆化现象,导致材料韧性下降,从而对核电站服役安全构成了巨大的威胁,因此,研究双相不锈钢在服役温度下长时热老化后组织和性能的变化规律及热老化机理具有重要意义。本文首先通过中高温拉伸试验对压水堆一回路主管道用钢Z3CN20-09M的锯齿屈服激活能进行了测定,然后通过透射电镜、金相显微镜、扫描电镜以及显微维氏硬度仪、小型万能试验机和示波冲击试验机分析和对比了400℃和350℃温度下等效热老化以及400℃长时热老化对该钢微观组织和力学性能的影响规律,最后该钢在不同温度下的热老化脆化机理进行了探讨,获得了如下主要结论:利用拉伸试验产生的锯齿屈服现象,根据应变速率、临界应变量以及温度的关系计算出Z3CN20-09M不锈钢在250~400℃范围内的激活能Q约为112kJ/mole,较化学成分法计算的激活能值高8.4%。将本文计算出的激活能值代入Arrhenius动力学公式,计算出了400℃和350℃等效热老化时长比约为1:5。Z3CN20-09M钢原始态的金相组织特征为奥氏体基体上分布有点状、岛状或条带状的铁素体,400℃和350℃温度下长时热老化对其金相组织形貌和铁素体含量都没有明显的影响。随着老化时间的增加,400℃下奥氏体中位错组态会发生变化,同时位错密度与位错缠结程度均有所降低;该钢在400℃下热老化100h时,铁素体相和奥氏体相中均析出第二相粒子Cr_2N;热老化3000h时,铁素体相中发现调幅分解现象,形成富Cr的α′相和富Fe的α相;老化5000h后的调幅分解α/α′两相界稍清晰,调幅组织发生聚集和粗化。与此相比,Z3CN20-09M钢在350℃等效时长热老化后具有相类似的组织结构变化规律。Z3CN20-09M钢在400℃热老化100h和3000h时及350℃热老化等效时长后,铁素体相的显微硬度先有较大幅度的升高,而后缓慢增大;而奥氏体相的显微硬度基本不受热老化时长的影响。随着热老化时间的延长,该钢在400℃和350℃下的比屈服强度(P_y/t_0~2)和比抗拉强度(P_u/t_0~2)均缓慢增大,而比断裂能(E_(sp))则缓慢减小。另外,该钢在两个温度下的示波冲击载荷-位移曲线随着热老化时间的延长,逐渐变窄变高,而冲击能量值W_(iu)、W_a以及W_t均随热老化时间的延长先急剧减小,然后缓慢下降。Z3CN20-09M钢在400℃和350℃下随着热老化时间的延长,微型杯突断裂机理始终是韧性断裂,但韧窝数量是呈逐渐减小的趋势;而其示波冲击断裂机理是由具有大量韧窝特征的韧性断裂过渡为同时存在韧窝和解理台阶特征的韧脆混合断裂。经400℃与350℃两种温度下的等效时长热老化后,Z3CN20-09M钢金相组织和亚结构、奥氏体相及铁素体相的显微硬度、微型杯突和示波冲击力学性能、微型杯突断裂机理和示波冲击断裂机理均随热老化时长具有十分相似的变化规律。经400℃长时热老化15000h后,Z3CN20-09M不锈钢中铁素体相内析出G相,同时调幅分解产物进一步聚集和粗化,调幅分解接近平衡;热老化到30000h,铁素体内G相数量增多,调幅分解α/α′两相边界清晰,基本达到平衡。在G相和调幅分解的协同作用下,Z3CN20-09M不锈钢在400℃长时热老化达30000h后显微硬度、微型杯突力学性能和示波冲击力学性能基本保持不变,而此时微型杯突断裂机理为韧脆混合断裂,示波冲击断裂机理为脆性断裂。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM623;TG142.71
【图文】：

压水堆核电站运行原理如图 1.1 所示：一回路的（发生原子核裂变反应）的反应堆堆芯时会吸收堆芯的热过热管段进入蒸汽发生器中，并通过 U 型管与二回路管道路接收到冷却剂的热量并产生蒸汽，汽轮机经蒸汽推动后冷却剂温度下降，一回路系统的主泵进行升压后，冷却剂成热量交换，产生源源不断的电力[12,14-15]。

1.2 CF-8M 双相不锈钢热老化行为的机理示意图究了不同铁素体含量的 SCS14A 铸造双相不锈钢 过程中的微观组织变化以及力学性能。结果发现段。在第一阶段，铁素体发生快速硬化，而夏比这是由于铁素体相中发生了调幅分解，即富 Fe 发生了调幅分解的聚集和粗化，同时析出 G 相，体硬度的增加速率与夏比冲击能的降低速率均趋究了 2205 型双相不锈钢在 335℃、365℃和 400℃的变化。发现时效导致铁素体硬度增加，冲击韧化至 5000h 后的夏比冲击能量达到饱和值。同时双回路电化学电位活化（DL-EPR）试验和醋酸R 试验中阳极扫描的峰值电流密度和乙酸极化时加而增大，而在乙酸极化过程中，二次钝化的阳的线性关系。同时 Chandra 在文献[36]中也研究了

铁素体相中发现了晶格参数为 1.12nm 的 G 相结构，如图 1.3 所痕及示波冲击试验等力学性能测试发现，随着老化时长的增加升高，但冲击功明显降低，同时不锈钢断裂形貌由微孔聚集型通过电化学测试发现，随着热老化时长的增加，Z3CN20-09M 降；结果显示，调幅分解是材料发生热老化脆化的主要原因；同环境（空气和模拟工况）下的热老化进行对比，结果发现环境明温度才是影响材料热老化的主要因素。

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本文编号：2797247