超低碳RAFM钢的组织与性能研究

发布时间：2018-10-30 17:29

【摘要】：聚变能将是人类可持续发展的最理想新能源,聚变反应堆内部的环境要求其结构材料必须具有较好的力学性能、抗辐照、耐高湿和耐腐蚀等性能,选择何种结构材料成为实现核聚变反应堆所面临的关键问题之一。比较发现低活化铁素体/马氏体钢(reduced-activation ferritic-martensitic, RAFM)J具有较好的综合性能以及比较成熟的工业制备基础,是聚变反应堆候选结构材料之一。本论文对RAFM钢进行了成分优化和制备,对其加工和热处理工艺进行了摸索,通过组织观察、性能测试和相关机理分析进行了基础的研究。为避免RAFM钢在中子辐射后引发核嬗变进而引起材料断裂韧性的降低和韧脆转变温度的升高的现象,设计和制备了超低碳RAFM钢,与传统的RAFM钢相比,其强度和塑性相当,但是韧性得到了较大幅度的提升,其韧脆转变温度为-80℃,与实验室炼制的传统的RAFM(?)相比韧脆转变温度降低了40℃,综合机械性能优异,其原因为超低碳的成分设计较大程度地改善了钢的塑性和韧性,制备过程中出现了尺寸更细小的TaC析出物,以析出强化的方式保证强度外还能细化奥氏体晶粒从而达到获得更加细小晶粒,改善超低碳RAFM钢的综合机械性能。采用热膨胀法与金相观察相结合的方法测定了两种成分体系RAFM钢的CCT曲线,发现在较快冷速下组织全为马氏体,其形貌主要是板条马氏体,呈现出典型的板条马氏体组织特征。利用阶梯试样进行热轧对RAFM钢奥氏体的动态再结晶行为进行了研究,分析了不同的道次压下量与轧制温度对动态再结品行为的影响规律,根据实验结果绘制了RAFM钢的奥氏体区热变形过程中的动态再结晶区域图,为RAFM钢的生产和制备过程中热轧工艺的制定提供了依据。通过双道次压缩热模拟实验,在Gleeble-3500热模拟试验机上究了核聚变反应堆首选结构材料低活化铁素体/马氏体钢在高湿热变形道次间隔时间内的静态再结品行为,讨论和分析了不同的间隔时间、变形温度、应变速率和变形量等因素对静态再结品行为的影响规律,采用2%应力补偿法计算了不同变形条件下的静态再结晶软化百分数。根据实验数据,计算出j低活化铁素体/马氏体钢静态再结品激活能,建立了其静态再结晶动力学模型,并将静态再结晶动力学模型的计算结果与实验结果进行比较,二者相吻合。对经过调质处理后的两种成分体系RAFM钢用SEM和TEM进行观察发现,随着回火温度的升高,回火组织由最初的回火马氏体逐渐转变为回火索氏体。RAFM钢在回火过程中随着温度的升高将发生回复和再结晶。通过对比发现超低碳RAFM的综合力学性能最优,实验钢最佳的调质处理工艺为980℃保温1小时后淬火至室温,之后在750℃进行回火保温1小时空冷至室温。室温屈服强度为541MPa,抗拉强度为668MPa,伸长率为25%,韧性冲击功为200J,600℃高温屈服强度为294MPa,抗拉强度为321MPa,伸长率为29%。两种RAFM钢中存在大量的析出物,析出物主要由M23C6和MC两大类面心立方结构的第二相粒子组成。由于成分体系的不同低碳RAFM钢中的析出物主要由150nm左右的M23C6和30～50nm左右的MC(TaC或VC)组成；而超低碳RAFM钢中的析出物主要由100nm左右的M23C6和15nm左右的MC(TaC)组成。在原位拉伸实验过程中,RAFM钢中的夹杂物在原位拉伸过程中作为微孔形核起始源的形式存在,其中第一类夹杂物在较大的应力作用下本身开裂形成微孔,之后与其它的裂纹完成韧性裂纹的“微孔形核—微孔长大—微孔聚合”；第二类夹杂物本身比较坚硬,在外力的作用下不易开裂和破碎,在RAFM钢原位拉伸过程中,由于位错塞积引起应力集中导致了夹杂物与塑形基体变形不协调而产生微孔。超低碳设计的RAFM韧性良好,在冲击过程中,缺口处和夹杂物等容易引起应力集中。低温冲击过程中RAFM发生解理断裂,韧性非常差,冲击试验时主裂纹附近组织产生强烈的内应力使微观组织中夹杂物周围产生应力集中,形成裂纹源,成为二次裂纹,几乎所有在解离区的二次裂纹在主裂纹尖端形成,主解离裂纹通过这些微裂纹的连通而扩展。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1

【参考文献】