核电主管道不锈钢的腐蚀疲劳行为研究

发布时间：2018-03-19 18:30

本文选题：一回路主管道　切入点：高温高压水　出处：《北京科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：核电站一回路主管道在使用过程中因温度变化或启停堆过程中会受到循环热应力的影响,且服役环境为高温高压水环境,因此腐蚀疲劳是主管道材料失效的主要方式之一。压水堆核电站主管道主要采用Z3CN20.09M双相不锈钢和316LN奥氏体不锈钢。前者因含有一定量的铁素体,在焊接或热处理时往往会有6相的析出；服役过程中铁素体相还会发生热老化现象。316LN不锈钢主管道是采用整体锻造的方法制备,因外形尺寸大,锻造过程复杂,往往出现晶粒大小不均匀的现象。而这些组织演变均会对主管道的力学、腐蚀和腐蚀疲劳性能造成不同程度的影响。本文通过研究两种不锈钢在高温高压水环境下氧化膜的组成和力学性能特征阐释了水环境促进疲劳裂纹萌生和扩展的机理,同时研究了晶粒尺寸对316LN不锈钢、σ相的析出和热老化对Z3CN20.09M双相不锈钢在服役环境下腐蚀疲劳性能的影响,并揭示了组织演变对两种主管道不锈钢腐蚀疲劳行为的影响机制。主要研究内容和结论如下：(1)研究了316LN不锈钢的热加工性能,在此基础上研究了不同锻造工艺对其组织和力学性能的影响。结果表明：316LN不锈钢在1100℃锻造、1150℃固溶处理后能够得到最佳的组织和力学性能组合,晶粒尺寸约为80μm,抗拉强度为601.5MPa,屈服强度为266.2MPa,延伸率为68%,符合西屋公司对材料组织和性能的设计要求。(2)利用腐蚀疲劳测试系统研究了高温高压水环境下两种不锈钢的疲劳裂纹萌生行为,通过氧化膜的组成分析了水环境促进裂纹萌生的机理。316LN不锈钢的裂纹萌生仅在材料表面的驻留滑移带处萌生,且疲劳裂纹在材料疲劳寿命的前20%已经开始萌生。Z3CN20.09M双相不锈钢的疲劳裂纹首先在试样表面的驻留滑移带处萌生,然后在相界处,最后还会在点蚀坑处萌生,但主要是在驻留滑移带处。与高温空气环境下相比,水环境下裂纹萌生早、数量多。(3)研究了高温高压水环境对两种不锈钢裂纹扩展的影响,分析了水环境的氧化作用和裂纹扩展在裂纹尖端处相互促进的机制,通过氧化膜的力学性能得出了水环境促进两种材料腐蚀疲劳裂纹扩展的根本原因。Z3CN20.09M双相不锈钢中铁素体相的存在减缓了疲劳裂纹的萌生和扩展过程,提高了材料的疲劳寿命。铁素体相阻碍滑移带的延伸从而推迟裂纹萌生因铁素体相较高的强度和耐蚀性,裂纹扩展过程减慢。(4)研究了316LN不锈钢晶粒尺寸对腐蚀疲劳性能的影响及其机理。结果表明：细化晶粒能够改善316LN不锈钢的腐蚀疲劳性能。当晶粒尺寸细化至30μm时可明显提高其疲劳寿命,而晶粒尺寸为80和210μmm的试样的疲劳寿命明显较低,且二者差距不大。对于中等和大晶粒的316LN不锈钢,其疲劳裂纹常常在驻留滑移带和晶粒取向界面处萌生；而小晶粒试样表面却不容易萌生裂纹。另外,不同疲劳试样心部的位错结构不同,小晶粒试样中往往由位错墙和位错包组成,而中等晶粒和大晶粒试样则是由一簇一簇的平面滑移带组成。(5)研究了6相析出对Z3CN20.09M双相不锈钢腐蚀、力学和腐蚀疲劳性能的影响,分析了恶化的力学和腐蚀性能的共同作用对疲劳裂纹萌生机理的影响。结果表明：随着750℃下热处理时间的延长,σ相含量不断增多,力学和腐蚀性能不断恶化,腐蚀疲劳寿命不断降低。不同于原始试样,热处理后试样的疲劳裂纹大量在表面的点蚀坑处萌生,在试样内部则主要是在铁素体断裂处萌生。铁素体相分解导致力学与腐蚀性能恶化后的共同作用是Z3CN20.09M双相不锈钢疲劳寿命降低的根本原因。(6)研究了475。C热老化对Z3CN20.09M双相不锈钢腐蚀、力学和腐蚀疲劳性能的影响及其机理。在热老化前1000小时内,随着热老化时间延长,材料的力学和腐蚀性能都不断下降,而热老化2000小时后二者均有所回复,即发生了自愈现象。同样,腐蚀疲劳性能也随着热老化时间的延长而不断下降,但热老化1000和2000小时材料的疲劳寿命差别不大。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.71

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