RPV模拟钢中纳米富Cu相与位错交互机制的研究
发布时间：2020-09-17 10:37
反应堆压力容器(RPV)是核电站中不可更换的大型关键部件,其安全工作的时间决定了核电站的使用寿命。在服役时长期中子辐照会导致RPV钢中析出纳米富Cu相,使钢的韧脆转变温度升高,断裂韧性降低,增加了材料的脆化程度,严重影响RPV运行安全。研究纳米富Cu相析出后的变形特征,可以间接地获得RPV钢力学性能变化的特征及其与位错的交互作用机理,从而推断其形变机制。本研究采用的三种RPV模拟钢是在A508-Ⅲ钢的基础上提高了Cu的含量,并改变了合金元素Ni和Mn的含量。这三种RPV模拟钢经过调质处理后,在500℃时效不同时间并进行了变形量为5%和10%的冷轧变形。采用高分辨透射电镜(HRTEM)和能谱仪(EDS)研究了时效过程中纳米富Cu相的晶体结构及其演化过程;用HRTEM和EDS研究了变形后纳米富Cu相的变形特征及其与位错的交互机制;用维氏硬度计和纳米压痕仪研究了纳米富Cu相在析出过程样品硬度的变化和变形量对硬度的影响;用激光导热仪研究了纳米富Cu相在析出过程样品导热性能的变化以及冷轧变形对导热系数的影响。(1)用HRTEM观察了RPV模拟钢在500℃时效过程中纳米富Cu相的演化过程。纳米富Cu相从b.c.c结构转变成9R结构,最后转变成为f.c.t结构或f.c.c结构。在观察的结果中发现9R结构存在正交和单斜两种变体。初次发现了尺寸达到14nm的b.c.c结构的纳米富Cu相。(2)冷轧变形引入的位错会与纳米富Cu相产生交互作用,使纳米富Cu相产生不同的变形特征,纳米富Cu相的变形特征与其晶体结构、以及富Cu相与基体的取向关系相关。纳米富Cu相的变形特征主要包括原子面的错排、产生堆垛层错、晶体结构孪生变形;同一个纳米富Cu相中存在多种不同的变形特征。(3)随着变形量的增加,纳米富Cu相形貌和结构的变化更加明显。发生孪生变形的纳米富Cu相的结构主要为f.c.c结构,孪晶面为{111}_(Cu)晶面,并且该晶面平行于{110}_(α-Fe)晶面,随着变形量的增加,孪生数量增加。(4)添加合金元素Ni和Mn促进纳米富Cu相的析出。在相同时效处理条件下,添加Ni、Mn元素的RPV模拟钢中析出的纳米富Cu相的尺寸变化不明显,在冷轧变形时对位错的钉扎作用更强。(5)纳米富Cu相的析出导致样品性能产生了变化。随时效时间的延长,RPV模拟钢的硬度先增加后降低,在时效200h时硬度达到峰值。相对变形前的样品,冷轧变形后样品的硬度增加,并且随着变形量的增加,硬度增加更明显。变形量一定的情况下,时效时间延长,硬度变化的趋势与变形前相同。随时效时间的延长,RPV模拟钢的导热系数先减小后增大,在时效200h时导热系数达到最小值。冷轧变形使样品的导热系数降低,导热系数变化的趋势与变形前相同。
【学位单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM623;TG142.1
【部分图文】：
图 1.3 压水堆核电站工作流程示意图Fig. 1.3 Schematic diagram of the working process of a pressurized water reactor1.3 RPV 材料的发展由于 RPV 服役于高温高压以及中子辐照的条件下，一旦出现事故，后果非常严重。因此要求 RPV 材料具备足够的纯净度、致密度、均匀的成分分布，在中高温度下具有优良的力学性能，较高的冶金质量、良好的耐蚀性、焊接性及较强的抗辐照性能和热稳定性等[5]。RPV 材料应用初期，主要是根据当时工程上应用较成熟材料的基础上改进而来的，以保证材料具有优良的工艺稳定性、焊接性及较好的强度。美国初期建造的核电站[6]，RPV 采用的材料按照标准 ASTMA201 制造的普通碳素锅炉钢板，但该钢的抗拉强度仅为 382 MPa，后来采用了抗拉强度为 481MPa 的 A212B 钢，但是该钢的淬
应力大于位错能摆脱析出相阻碍的临界切应力时，位错会越过析出相。位错越过析相的方式主要有两种，一种是位错切过析出相，另一种是位错绕过析出相，也就是谓的 Orowan 绕过机制，并留下 Orowan 位错环[37]。相比于合金碳化物和氮化物等硬质相，纳米富 Cu 相因其剪切模量低于铁素体体被归类于软颗粒。因此不同于硬质颗粒与位错交互时的 Orowan 绕过机制，当位与纳米富 Cu 相交互时，位错可以切割并通过纳米富 Cu 相。关于纳米富 Cu 相与位的交互作用，研究中通过实验和计算机模拟的方法，做了大量的研究。Yuta 等[38]别研究了纳米富 Cu 相弥散钢和 VC 颗粒弥散钢，其中纳米富 Cu 相的平均尺寸34nm，VC 颗粒平均尺寸为 39nm。将材料进行拉伸和冷轧变形实验，发现 f.c.c 结的纳米富 Cu 相弥散钢的加工硬化率明显低于 VC 颗粒弥散钢，分析发现 VC 颗粒围存在高密度的位错，而富 Cu 相周围位错较少，在塑性变形过程中位错可以通过米富 Cu 相，这也是纳米富 Cu 相弥散钢的加工硬化率低的原因。Koichi 等[39]研究过时效纳米富 Cu 相与位错的相互作用，研究发现位错越过纳米富 Cu 相的方式取于纳米富 Cu 相的尺寸大小，纳米富 Cu 相的尺寸小于 70nm 时，位错会切过纳米Cu 相，当尺寸大于 70nm，位错则以 Orowan 机制绕过纳米富 Cu 相。
山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论Cu 相长轴方向与压缩方向垂直时，纳米富 Cu 相会变成针状；棒状的纳米富 Cu 相长轴方向与压缩方向平行时，纳米富 Cu 相会变成等轴状。Toshihiro[41]等研究发现在冷轧变形过程中直径为 35nm 的近球形 -Cu 颗粒会沿轧制方向拉长，并且发现材料经过大变形后， -Fe 基体中的富 Cu 相会发生溶解行为，并认为 Cu 颗粒的溶解是通过在大变形的冷加工时，尖锐的颗粒尖端的位错剪切，将 Cu 原子由原来的析出相重新动态分配融入固溶体引起的，并且在位错剪切作用下 -Cu 颗粒/基体界面呈锯齿状或逐渐变模糊。Wang 等[41]研究发现在 400℃时效 4000h 后进行 30%冷轧变形的 RPV模拟钢中存在五重孪晶结构的纳米富 Cu 相，并提出了五重孪晶形成的位错反应机制是从两个特定的 -Fe/Cu 界面发射的两个 Shockley 不全位错进行交互产生的。
本文编号：2820612
【学位单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM623;TG142.1
【部分图文】：
图 1.3 压水堆核电站工作流程示意图Fig. 1.3 Schematic diagram of the working process of a pressurized water reactor1.3 RPV 材料的发展由于 RPV 服役于高温高压以及中子辐照的条件下，一旦出现事故，后果非常严重。因此要求 RPV 材料具备足够的纯净度、致密度、均匀的成分分布，在中高温度下具有优良的力学性能，较高的冶金质量、良好的耐蚀性、焊接性及较强的抗辐照性能和热稳定性等[5]。RPV 材料应用初期，主要是根据当时工程上应用较成熟材料的基础上改进而来的，以保证材料具有优良的工艺稳定性、焊接性及较好的强度。美国初期建造的核电站[6]，RPV 采用的材料按照标准 ASTMA201 制造的普通碳素锅炉钢板，但该钢的抗拉强度仅为 382 MPa，后来采用了抗拉强度为 481MPa 的 A212B 钢，但是该钢的淬
应力大于位错能摆脱析出相阻碍的临界切应力时，位错会越过析出相。位错越过析相的方式主要有两种，一种是位错切过析出相，另一种是位错绕过析出相，也就是谓的 Orowan 绕过机制，并留下 Orowan 位错环[37]。相比于合金碳化物和氮化物等硬质相，纳米富 Cu 相因其剪切模量低于铁素体体被归类于软颗粒。因此不同于硬质颗粒与位错交互时的 Orowan 绕过机制，当位与纳米富 Cu 相交互时，位错可以切割并通过纳米富 Cu 相。关于纳米富 Cu 相与位的交互作用，研究中通过实验和计算机模拟的方法，做了大量的研究。Yuta 等[38]别研究了纳米富 Cu 相弥散钢和 VC 颗粒弥散钢，其中纳米富 Cu 相的平均尺寸34nm，VC 颗粒平均尺寸为 39nm。将材料进行拉伸和冷轧变形实验，发现 f.c.c 结的纳米富 Cu 相弥散钢的加工硬化率明显低于 VC 颗粒弥散钢，分析发现 VC 颗粒围存在高密度的位错，而富 Cu 相周围位错较少，在塑性变形过程中位错可以通过米富 Cu 相，这也是纳米富 Cu 相弥散钢的加工硬化率低的原因。Koichi 等[39]研究过时效纳米富 Cu 相与位错的相互作用，研究发现位错越过纳米富 Cu 相的方式取于纳米富 Cu 相的尺寸大小，纳米富 Cu 相的尺寸小于 70nm 时，位错会切过纳米Cu 相，当尺寸大于 70nm，位错则以 Orowan 机制绕过纳米富 Cu 相。
山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论Cu 相长轴方向与压缩方向垂直时，纳米富 Cu 相会变成针状；棒状的纳米富 Cu 相长轴方向与压缩方向平行时，纳米富 Cu 相会变成等轴状。Toshihiro[41]等研究发现在冷轧变形过程中直径为 35nm 的近球形 -Cu 颗粒会沿轧制方向拉长，并且发现材料经过大变形后， -Fe 基体中的富 Cu 相会发生溶解行为，并认为 Cu 颗粒的溶解是通过在大变形的冷加工时，尖锐的颗粒尖端的位错剪切，将 Cu 原子由原来的析出相重新动态分配融入固溶体引起的，并且在位错剪切作用下 -Cu 颗粒/基体界面呈锯齿状或逐渐变模糊。Wang 等[41]研究发现在 400℃时效 4000h 后进行 30%冷轧变形的 RPV模拟钢中存在五重孪晶结构的纳米富 Cu 相，并提出了五重孪晶形成的位错反应机制是从两个特定的 -Fe/Cu 界面发射的两个 Shockley 不全位错进行交互产生的。
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本文编号：2820612
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