预形变不锈钢在模拟压水堆一回路水中的界面反应特征与应力腐蚀开裂行为

发布时间：2018-10-18 11:16

【摘要】：奥氏体不锈钢在压水堆核电站中主要用于制造一回路主管道、主泵结构部件、堆芯结构部件等,这些部件长期与高温高压的一回路冷却剂接触,存在一定程度的高温水应力腐蚀开裂问题。奥氏体不锈钢由于人为或无法避免的材料预形变会影响其力学性能和反应特性,从而影响在高温水中的应力腐蚀开裂行为。材料特性、受力状态和水化学条件会影响结构材料在高温水中的应力腐蚀开裂行为。研究核电关键结构材料在高温高压水中的力学-化学-材料交互作用下的环境损伤行为是核电站老化和寿命管理的一个重要方面,服役性能评价和机制研究对保障核电站长期、安全、稳定运行具有重要意义,并为我国核电材料自主研发和走出去提供支持。本论文工作主要采用高温高压水应力腐蚀裂纹扩展实验、电化学测试、微观结构表征及断口和表面形貌测试(包括光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射、透射电子显微镜)等技术,研究了单向冷轧预形变对压水堆核电站关键构件普遍采用的316L不锈钢在模拟核电站冷却剂环境中应力腐蚀开裂和界面反应特性的影响,分析了材料特性、外加载荷和环境介质条件的相互作用,得出以下主要结论:(1)预形变降低了316L不锈钢中的Σ3 CSL晶界比例,增大了316L不锈钢原始晶粒内部的局部取向差。预形变对316L不锈钢在0.05 mol/L H2SO4+0.3mol/L NaCl溶液中阳极溶解的加速效应在-0.135至0.700 V(SCE)的电位范围内较显著。预形变的影响在含有氯化物的硫酸溶液中比在不含氯化物的溶液中更显著。对于固溶态316L不锈钢和预形变20%的316L不锈钢,恒电位极化下的电流密度、点蚀数量和开口点蚀坑直径随着外加电位的增加而增加。在一定外加电位下,预形变增加了点蚀坑的数量,减小了点蚀坑的尺寸。恒电位极化后测试溶液的ICP结果与电流随时间的变化曲线都反映出预形变对316L不锈钢阳极溶解的加速作用。(2)在含氢模拟压水堆一回路水中,预形变对316L不锈钢的电化学行为影响不明显;在含氧模拟压水堆一回路水中,电化学阻抗谱和阳极极化曲线结果表明预形变加速了316L不锈钢的阳极过程。预形变对316L不锈钢在含氧模拟压水堆一回路水中阳极过程的加速作用在开路电位至约0.400 V(SHE)的电位范围内更为明显。(3)在含氢和除氧的模拟压水堆一回路水中,单向冷轧预形变20%的316L不锈钢T-L(CT试样缺口平行于轧制方向)和L-T(CT试样缺口垂直于轧制方向)取向试样在水中原位预制裂纹阶段的裂纹扩展是穿晶疲劳裂纹,试样取向对原位预制裂纹阶段裂纹扩展速率影响不大;T-L取向试样有着比L-T取向试样更高的应力腐蚀裂纹扩展速率和更多的应力腐蚀裂纹分布。L-T取向试样在除氧水中裂纹扩展方向与轧制方向垂直,意味着裂纹前进方向与晶界优先氧化方向不一致,从而产生了裂纹分叉现象。这一现象产生的原因是外加应力和沿着伸长晶粒的晶界的优先氧化路径之间的协同作用,而后者更占主要地位。(4)单次拉伸预过载对冷轧预形变20%的316L不锈钢T-L和L-T取向试样在模拟压水堆一回路环境中应力腐蚀裂纹扩展具有明显的迟滞效应。无过载T-L取向试样断面上有较多的沿晶应力腐蚀裂纹,L-T取向试样只在断面的局部区域间断分布着一些沿晶应力腐蚀裂纹。有过载的T-L和L-T取向试样断面上均没有明显的应力腐蚀开裂迹象。有过载试样断面裂纹前沿发现的伸张区影响其应力腐蚀裂纹扩展。过载引起的残余压应力和外加载荷的共同作用降低了应力腐蚀裂纹扩展的有效驱动力,从而降低裂纹扩展速率。过载试样裂尖前缘负的dK/da(应力强度因子K随裂纹长度的变化梯度)区域在降低应力腐蚀裂纹扩展速率中起重要作用。过载对应力腐蚀裂纹扩展的影响与水化学和应力状态有关。(5)在含氢和含氧的模拟压水堆一回路水中,预形变都加速316L不锈钢的应力腐蚀裂纹扩展。敏化处理对316L不锈钢在模拟压水堆一回路水中应力腐蚀开裂的影响因水化学而异:在含氢水中,敏化处理对应力腐蚀开裂具有减缓作用;在含氧水中,敏化对应力腐蚀开裂具有促进作用。裂尖TEM和断口形貌分析表明晶界碳化物对316L不锈钢在不同高温水化学条件下的应力腐蚀开裂起重要作用。预形变、敏化后预形变以及敏化316L不锈钢在含氧水中的应力腐蚀裂纹扩展速率要大于在含氢水中的应力腐蚀裂纹扩展速率。(6)焊后热处理消除了安全端异种金属焊接件镍基焊接金属-奥氏体不锈钢熔合线附近的部分焊接残余应力,对熔合线附近的成分变化无显著影响。有、无焊后热处理焊接接头中的不锈钢焊接热影响区材料及不锈钢母材在正常水质条件模拟压水堆一回路水中无明显的应力腐蚀开裂迹象,其应力腐蚀开裂速率显著低于在含氧高温水中的应力腐蚀开裂速率,并和不同预形变方式引起的具有不同应力/应变分布的不锈钢在含氢和含氧高温水中的应力腐蚀开裂速率对比,认为安全端异种金属焊接件不锈钢侧焊接热影响区材料在含氢水中极低的应力腐蚀裂纹扩展速率与水化学条件、材料微结构和应力/应变分布状态的共同作用有关。(7)在不同水化学条件的模拟压水堆一回路水中,316L不锈钢在除氧水中的开路电位略高于含氢水中的值,显著低于含氧水中的值。高温水中的溶解氧和溶解氢显著影响电化学阻抗参数。Rct和Rf在含氧水中最高,在含氢水中最低。Cdl和CPEf在含氢水中最高,在含氧水中最低。在各种水化学条件的高温水中,氧化膜随着浸泡时间的增长而生长,Rct和Rf随着浸泡时间的增加而增加,Cdl和CPEf随着浸泡时间的增加而减小。在含氢水和除氧水中形成的氧化物膜在化学成分上相似,外层膜由尖晶石型氧化物组成,内层膜致密且富Cr;但在形态上有所不同,在除氧水中形成的外层氧化物颗粒比在含氢水中形成的外层氧化物颗粒更大且分布更松散。在含氧水中氧化膜的成分和形貌有较大的变化,形成的氧化膜外层为赤铁矿型颗粒,内层膜疏松富Ni。在含氧水中氧化膜外层氧化物颗粒为等轴晶形态,而在含氢和除氧水环境中氧化膜外层氧化物颗粒为棱角分明的多面体形态。电化学测量和氧化膜测试的结果可以评价材料在不同水化学条件下高温水中反应速率随时间的变化。与测试期间稳态或准稳态氧化有关的电化学参数和氧化行为的变化可以更好地为理解应力腐蚀开裂过程提供基本信息。
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【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG142.1

【参考文献】