CLAM钢近ITER剂量中子辐照硬化与脆化及热影响研究

发布时间：2020-06-17 09:35

【摘要】：低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是国际热核聚变堆实验包层模块ITER-TBM的首选结构材料,其在ITER-TBM寿期内受到的中子辐照累积剂量不超过3dpa,服役温度为300～500℃。核材料服役期间,中子辐照损伤的长期累积,会在材料内部产生点缺陷团、空洞、位错环、偏析等微观辐照缺陷,宏观上则表现为辐照硬化、辐照脆化等系列效应,这不仅仅与辐照剂量相关,还受到温度以及与辐照剂量等协同作用的影响。为确保RAFM钢在ITER中服役的安全可靠性,需要开展服役温度下ITER剂量的中子辐照实验,通过辐照前后材料微观结构表征和宏观性能测试,结合辐照损伤理论,综合评估材料的服役性能。本文以FDS凤麟核能团队主持研发的具有我国自主知识产权的聚变堆结构材料RAFM钢-中国抗中子辐照钢(CLAM钢)为研究对象,开展了近ITER剂量中子辐照问题研究。一方面开展300℃/1.61dpa和480℃/1.73dpa中子辐照实验,通过辐照前后拉伸和冲击性能的测试分析,研究CLAM钢的中子辐照硬化和脆化行为;另一方面分别开展与中子辐照实验相对应的300℃/2264h和480℃/2424h等温等时时效实验,通过测试和表征时效前后CLAM钢力学性能变化及微观结构演变,探究CLAM中子辐照损伤中热效应的影响。主要结论如下:(1)CLAM钢300℃/1.61dpa中子辐照实验结果显示,辐照后韧脆转变温度DBTT升高了 56℃,辐照脆化效应比较明显,同时出现了一定程度的辐照硬化,室温测试时,其屈服强度和抗拉强度相比辐照前分别增加56MPa和29MPa,增大了 10.37%和 4.37%。(2)CLAM钢480℃/1.73dpa中子辐照实验结果显示,辐照后韧脆转变温度DBTT升高了 10℃,辐照脆化效应相对较小,但辐照硬化效应相对明显,室温测试时其屈服强度和抗拉强度相比辐照前分别增加了 164MPa和137MPa,增大了 36.50%和 22.30%。(3)CLAM钢的中子辐照性能与国际同类低活化钢对比结果显示,相近辐照条件下CLAM钢的抗中子辐照硬化与脆化性能与Eurofer97和F82H相当,甚至更加优异。(4)CLAM钢300℃/480℃等时时效实验结果显示,热时效在材料中子辐照硬化和脆化中的作用不显著。等时时效后300℃测试时,其屈服强度和抗拉强度相比时效前均有所降低,说明高温服役时热效应反而会削弱中子辐照过程中的综合硬化效应。300℃时,热效应在CLAM钢中子辐照脆化中的影响占比约为3.57%,480℃时,热效应在CLAM钢中子辐照脆化中的影响占比为20.00%,但DBTT均只升高了 2℃,热时效对CLAM钢中子辐照脆化的影响较弱。因此,在本辐照实验条件下,剂量效应以及剂量与温度的协同作用是导致CLAM钢中子辐照硬化与脆化的主要因素。(5)CLAM钢时效初期原奥氏体晶粒粗化速率较快,300℃等时时效时,晶粒尺寸增至8.92μm,相比时效前增加了 14.07%,继续时效至5000h,晶粒长大至9.39μm,增长了 20.0707%;480℃等时时效时,晶粒尺寸增至9.62μm,增长了23.02%,继续时效至5000h,晶粒尺寸与等时时效情况下相当。晶粒粗化使得材料内部大角度晶界比例降低。(6)CLAM钢时效过程中马氏体板条宽度增加,初始的较为平直马氏体板条会变得弯曲甚至退化成亚晶,材料内部小角度晶界比例增加;第二相数密度和尺寸在时效过程中逐渐增加。480℃时效5000h时,马氏体板条宽度及M23C6相颗粒尺寸增长最大,相比时效前,分别增长了 32.66%和23.02%。本论文的研究成果一方面评估了近ITER剂量辐照条件下CLAM钢的服役性能,揭示了中子辐照损伤中热效应的影响规律,另一方面丰富了抗辐照材料实验数据库,并为结构材料未来的发展、改进和优化提供数据参考。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL627
【图文】：

辐照剂量,屈服强度增量,辐照脆化,中子辐照

ＢＯＲ６０中３００°Ｃ辐照后，材料内部产生大量的位错环、析出相等缺陷，材料的逡逑屈服强度增量随辐照剂量的升高而增大，当剂量高于ｌ0ｄｐａ时，有趋于饱和的趋逡逑势，如图１．１所示［４４，４５］。随辐照剂量的升高，幵脆转变温度（Ｄｕｃｔｉｌｅ－Ｂｒｉｔｔｌｅ邋Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＤＢＴＴ）的增量也逐渐增大。当福照齐ＩＪ量低于１５ｄｐａ时，ＡＤＢＴＴ逡逑随辐照剂量的升高而快速增加，辐照脆化明显，随着辐照剂量的进一步升高，辐逡逑照脆化趋于饱和，如图１．２所示［４火逡逑＿丨＿＾邋＾00邋ｒ逦ｔｏｒｎＭｕｒ＊邋？逦ｌ？ｒｔｐａｒＭｕｒ？逡逑Ｑ逦？邋３００－＾２５邋Ｃ逡逑１邋？0逦ｙ逦逦—＾逡逑0）逦ＦｉｉＣＵＲ0ＰＣＲ？Ｔ逡逑｜邋４００逦，逡逑？ｇ邋３00逦ｆ邋ＯＭ逦｜邋Ａ逦？邋ＰＵｔ？邋？邋ｍ？ｎ邋｜ＭＦ０邋？邋９００邋Ｃ｜￣￣逡逑Ｖ逦Ｄ逦Ｃ９７邋？邋Ｐｔｏｔ＊邋？邋（？0ＲｆＯ邋３２９逦＊Ｃ）逡逑？逦２００逦Ａ逦Ｃ？７邋？逦？邋ｍｍ邋｜Ｈｎ＞邋．邋１００逦Ｃ＼逡逑Ｓ逦Ｍ逦Ｏ邋Ｃ０７邋？邋Ｂ？．逦？邋３００邋Ｘ）邋ｉ逡逑坊邋ｆｔｎ邋８逦？邋Ｃ”邋？邋Ｌ？ｂ邋（ＨＦＢ邋ＷＯ邋Ｘ｜逦，逡逑２逦１ＵＵ逦ｆ逦0逦ｒ？３Ｈ逦？邋？３邋－Ｃ）逡逑４＞逦＇逦？逦ｒ？２Ｈ逦［0Ｍｒｂ邋－邋ｍ邋0逡逑＞邋0ｌ逦邋？…－＾－＝：逡逑０逦５逦１０逦１５逦２０逦２５逦３０逦３５逦４０逦４Ｓ逡逑Ｄｏｓｅ邋（ｄｐｏ）逡逑图１．１邋Ｅｕｒｏｆｅｒ９７中子辐照硬化与辐照剂量的关系逡逑２５０－逦逦逦邋＾逡逑。嶀逦＊逡逑ｔ邋１５０－逦逦，逡逑Ｈ逦厶逦Ｆ８２Ｈ

辐照剂量,中子辐照,屈服强度增量,辐照脆化

【参考文献】