冷拔316奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂与疲劳行为

发布时间：2020-03-30 19:23

【摘要】：随着核电事业的蓬勃发展,人们日益关注核电站关键材料的服役安全问题。316奥氏体不锈钢具有优良的耐腐蚀性能和力学性能,被广泛地用于压水堆核电站回路管道和堆内构件材料。冷变形可以显著提高奥氏体不锈钢的屈服强度与抗拉强度。同时,冷变形能够产生位错、变形带、机械孪晶和形变诱导马氏体等缺陷,进而会对核电奥氏体钢的应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking,SCC)与疲劳行为产生不同程度的影响。冷拔316奥氏体不锈钢主要用于压水堆堆内高强度螺栓材料。本文发现冷拔316不锈钢中形成大量位错、变形带和机械孪晶。目前,冷拔316不锈钢在高温高压含氯硼锂溶液中SCC行为仍缺乏深入研究,冷拔316不锈钢在含氯硼锂溶液中SCC裂纹尖端演化规律认识还不够完善,而且,冷拔316不锈钢在循环变形中的位错结构演化规律有待深入研究,对于循环变形中机械孪晶与位错运动交互作用机理的认识还需要进一步完善。对这些问题的研究可以进一步提高人们对冷拔316奥氏体不锈钢SCC与疲劳行为的认识,为该钢种的服役性能评估提供理论基础与实验依据。本文主要研究压水堆高强度螺栓用冷拔316奥氏体不锈钢在模拟压水堆环境中SCC行为与室温疲劳行为,利用SEM与TEM观察分析SCC裂纹尖端微观结构,研究冷拔变形对316奥氏体不锈钢在模拟压水堆环境中氯致SCC行为的影响机理,分析讨论冷拔316奥氏体不锈钢在循环变形中的位错结构演化规律,探讨机械孪晶与位错运动交互作用机理。本文的主要研究结论如下:(1)冷拔316不锈钢奥氏体晶粒中形成大量位错,机械孪晶与变形带组成的网络分割并细化奥氏体晶粒。没有观察到冷拔316不锈钢发生形变诱导马氏体相变。(2)固溶与30%冷拔316奥氏体不锈钢在模拟压水堆环境中SCC慢拉伸实验结果显示,冷拔处理与腐蚀介质中氯离子添加都可以显著提高316不锈钢SCC敏感指数。在硼锂溶液中,固溶316不锈钢没有发生SCC行为,而30%冷拔316不锈钢断口边缘为河流状脆性准解理断口,表现出穿晶SCC特征,SCC敏感指数约为16.7%。在含氯硼锂溶液中,固溶和30%冷拔316不锈钢均表现出穿晶SCC特征,而且,30%冷拔316不锈钢的SCC敏感指数(27.0%)明显高于固溶316不锈钢(11.5%)。在SCC过程中,机械孪晶和变形带等缺陷可以为氧的扩散提供通道,加速裂纹萌生与扩展。冷拔316不锈钢的阳极溶解过程与裂纹尖端形成的氧化物有密切关系,在含氯硼锂溶液中,具有较高耐腐蚀性能的富Cr氧化物首先在SCC裂纹尖端形成,然后富Cr氧化物与溶解氧、H_2O反应,随着SCC裂纹扩展,裂纹侧面形成富Fe氧化物。(3)冷拔316奥氏体不锈钢室温疲劳实验结果显示,当应变幅小于0.5%时,30%冷拔316不锈钢的软化速率明显小于20%冷拔316不锈钢;当应变幅大于0.5%时,30%冷拔316不锈钢的软化速率稍微大于20%冷拔316不锈钢,但是两者比较接近。在冷拔316奥氏体不锈钢室温疲劳过程中,存在满足循环软化的门槛应变。冷拔316不锈钢的高周疲劳寿命明显高于固溶316不锈钢。30%冷拔316不锈钢具有更高比例的弹性应变,在低于0.8%的应变范围下,表现出更长的高周疲劳寿命。20%冷拔316不锈钢具有更高比例的塑性应变,在高于0.8%的应变范围下,表现出更长的低周疲劳寿命。冷拔产生的高密度位错促进位错胞的形成。(4)冷拔316不锈钢中机械孪晶间距会显著影响循环变形过程中的位错结构演化,机械孪晶对位错的约束作用会随着孪晶间距减小而增大。机械孪晶与变形带组成的网络有效地减少了驻留滑移带(Persistent Slip Band,PSB)的形成,尤其降低了PSB结构贯穿奥氏体晶粒的机率,延缓了疲劳裂纹的萌生。(5)利用高分辨TEM观察发现,一方面,位错可以沿着孪晶界滑移,另一方面,位错会受到孪晶界阻碍,在循环载荷作用下,逐渐发生位错反应,并在孪晶界上形成单个原子层台阶,原子层台阶沿孪晶界运动,逐渐合并形成较大尺寸的台阶。(6)冷拔316不锈钢中的变形带在循环载荷作用下按照交滑移方式运动,变形带中的螺位错湮灭降低了变形带内的位错密度,并促使胞状结构形成。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623;TG142.71

【参考文献】