抗氢钢及构件的中子衍射应力分析研究

发布时间：2017-04-07 15:15

  本文关键词：抗氢钢及构件的中子衍射应力分析研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：抗氢钢是用于制造临氢构件的一类特殊金属材料,其典型应用是制造贮氢或氢同位素的压力容器,这类产品已广泛应用于航天、军工、能源等多种领域中。制造贮氢压力容器的抗氢钢通常为某类奥氏体不锈钢,虽然比铁素体和马氏体钢有更优良的抗氢损伤性能,但并不像早期认识那样完全不受氢的影响,氢会对材料及构件的力学性能、微缺陷和应力分布等产生不同程度的影响。尤其是在应力和高压氢同时作用下的力-氢受载过程中,这种影响将会变得更为复杂。贮氢压力容器的结构安全性是其服役期中一直很关注的重点问题。中子衍射技术在工程部件残余应力测量中的应用始于上个世纪九十年代。中子衍射作为一种重要的无损检测手段,具有深穿透、对氢元素敏感等重要特点。通过中子衍射应力测量技术可以较为准确地获得材料深度范围内宏观应力、微观应力、晶间应力等三类应力分布数据,研究内应力存在和变化对材料微观结构单元的影响,通过对应力／应变场分布变化的分析,研究材料孪晶、位错等微观形变机制。作为目前多晶材料内部三维应力无损检测的唯一技术手段,中子衍射应力测量技术在全球范围内重要的科学研究机构均受到重视。美国与欧洲包括Los Alamos、Oak Ridge、NIST、Rutherford-Appleton Lab. (ISIS)、ILL (Grenoble)在内的国家实验室或研究中心皆将中子衍射残余应力测量技术列为材料工程研究的重点。其目的主要是发展原位(In-Situ)中子散射技术为建立各种微(介)观力学模型提供必备的实验数据,通过材料各种应力(宏观与相间微观应力)的测量直接服务于材料设计。中子散射方法结合原位加载技术可以获取抗氢钢的应力演化数据,为抗氢钢性能评估提供实验数据支撑。本论文基于离线状态充氢不同阶段抗氢钢的宏观拉伸应力-应变曲线多阶段的变形特征数据,利用新兴发展的原位中子衍射应力分析技术和新建立的中子衍射应力分析谱仪以及原位力学实验设备开展抗氢钢变形过程的微结构演化分析。探索了氢的介入与抗氢钢屈服强度、塑性、延伸率等降低之间的关系,初步获得氢在位错附近增值聚集及其对位错滑移的阻滞是造成抗氢钢宏观力学三大性能指标下降的机理性认识。本论文对由抗氢钢材料电子束焊接而成的钢筒的三维应力分布进行了测量。采用中子衍射应力测量技术无损地获得了3mm深度下抗氢钢焊接钢筒三种特征区域(焊接区、热影响区、基体区)残余应力分布数据：切向承受了最大拉应力,达到350MPa,轴向/径向均受压应力作用,其中轴向压应力最大,达到-220MPa,焊接区及热影响区范围内应力梯度最大,是诱发断裂的最主要位置。对比同类型焊接件国际上测量得到的数据结果,结果的可信度较好。
【关键词】：抗氢钢 中子衍射 应力 原位拉伸 微观变形 三维应力分布 结构件
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-20
• 1.1 抗氢脆奥氏体不锈钢研制/研究的国内外现状7-10
• 1.2 氢与金属材料相互作用机理10-14
• 1.2.1 氢致金属破坏机理11
• 1.2.2 氢在金属材料中的聚集11
• 1.2.3 氢脆弱键理论11-12
• 1.2.4 氢脆位错输送理论12-13
• 1.2.5 氢致局部塑性变形理论13
• 1.2.6 氢致相变理论13-14
• 1.3 中子衍射应力测量技术14-18
• 1.3.1 中子衍射及应力分析原理14-17
• 1.3.2 中子衍射方法的特点17-18
• 1.4 本文研究内容18-20
• 第二章 中子衍射应力测量装置与加载技术20-37
• 2.1 实验装置介绍20-28
• 2.1.1 中子衍射应力分析谱仪介绍21-26
• 2.1.2 15kN原位力学加载系统的介绍26-28
• 2.2 装置主要物理指标的检验与优化28-37
• 2.2.1 单色器指标与参数优化28-32
• 2.2.2 谱仪分辨率标定32-35
• 2.2.3 样品处中子注量率的标定35-37
• 第三章 原位加载下抗氢钢中子衍射实验研究37-49
• 3.1 实验37-39
• 3.2 结果分析39-48
• 3.3 本章小结48-49
• 第四章 抗氢钢焊接结构件残余应力分布的中子衍射研究49-55
• 4.1 实验49-50
• 4.2 结果分析50-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 结论及建议55-56
• 5.1 结论55
• 5.2 建议55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-59
• 附录59

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