中国低活化马氏体钢高温疲劳行为及损伤基理研究

发布时间：2020-09-18 21:40

　　 由于“安全”、“清洁”、“持久性”的特点,聚变能被认为是永久解决世界能源危机的方案之一。包层是聚变反应堆实现氚燃料增殖、能量转换及输出的关键部件。在目前国际热核聚变实验堆ITER设计方案中,包层服役温度约450℃C,等离子体燃耗造成的循环周次约为20000～50000次,燃耗持续时间约500s左右。考虑到地震和运行过程中等离子不稳定等因素带来的影响,循环周期可能会达到十万次,这对聚变堆包层结构材料的抗高温疲劳性能提出了极高的要求。中国低活化马氏体钢(CLAM)是中国ITER实验包层的首选结构材料,其在高温循环载荷作用下的力学行为,不仅是ITER TBM结构和服役寿命设计的基础,也是材料通过相关法规标准认可实现工业应用的基本要求之一；同时理解材料在疲劳过程中的损伤机理对于进一步优化材料的成分与加工工艺,研发新型聚变堆结构材料具有重要意义。 本论文主要针对ITER高温脉冲载荷的服役工况和CLAM钢认证需求,开展CLAM钢在450℃C和550℃C下的疲劳实验,并根据实验结果建立了CLAM钢在循环载荷作用下的寿命预测模型和力学行为随时间变化的本构方程。本研究旨在分析温度、应力等因素对CLAM钢疲劳寿命及应力应变等行为的影响机理,同时获得CLAM钢的高温疲劳特性,为CLAM钢认证和中国ITER TBM包层的设计奠定基础。 首先,本文研究了应力控制模式下CLAM钢的高周疲劳行为,分析了应力循环加载下疲劳极限与断裂行为。研究结果表明循环周次在105～107时随着应力幅度的减小CLAM钢疲劳寿命逐渐升高。450℃C和550℃C下CLAM钢的条件疲劳极限为275±5MPa和235±5MPa。通过最小二乘法和Basquin方程建立了CLAM钢疲劳寿命预测模型,并分别依据近似欧文单侧公差极限法和双侧置信区间法建立了CLAM钢的疲劳设计S-N曲线,通过与测试结果比较表明近似欧文单侧公差极限法能够更为安全的预测材料的疲劳寿命。断口分析表明样品表面萌生的裂纹向材料基体内部扩展是材料疲劳失效的主要原因。 其次,本文分析了CLAM钢在4500C和550℃C下应变控制的低周疲劳行为。研究结果表明,疲劳寿命随着温度的升高略微降低,这一现象在低应变幅下更为明显。在应变控制过程中,随着循环周次的增加,峰值应力演化呈现较为明显的三个阶段：在数十个周期内峰值应力迅速降低,然后软化速率逐渐趋于稳定,直至最后突然失效。弹性模量随着循环周次的演化过程表明可以用弹性模量表征材料在循环载荷作用下的损伤程度。最后通过分析CLAM钢的微观结构演化过程,表明位错密度降低和亚晶的融合长大是材料强度降低的主要原因。 最后以550℃C应变幅度为0.4%的疲劳数据为例,在考虑等向硬化和随动硬化的基础上,建立了CLAM钢的应力应变力学行为随时间演化的预测模型。结合实验结果,逐步确定了模型中与温度相关的材料常数。通过比较模型预测值与实验结果表明该模型能够较好的预测CLAM钢应力应变行为和峰值应力演化过程,为其在ITER聚变堆中服役的安全性评估奠定了良好的基础。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL341
【部分图文】：

应是人工能够实现的聚变反应之一，图1-1所示为氖核和l#核发生聚变融合产生氦原子核同时释放一个中子的核聚变反应。反应过程中释放出17.58MeV的能量，其中14.1MeV的能量被中子带出【6]。'?核图1-1l氤聚变反应示意图聚变能有许多潜在吸引力：首先，地球上聚变能资源丰富，海水巾存储的l(D),约卩丨天然氧的1/6700，如来地球上的j丨I全部)11于聚变反应堆，|】1供人类使州上万年。锂足生产侃的材料，概在地球上储量比较丰富，樷略估计可以满足几千年的使用需求从图1-1中可以看出，聚变反应不产生C02等大气污染物和放射性物质，不会造成环境的污染。为了实现聚变反应

图1-3日本和欧洲聚变堆结构材料发展路线图[3i]

建立了 Eurofer97的疲劳行为本构方程，较好的预测了材料的疲劳行为及高温条件下的疲劳￥？命。图1-11显示了基于统一炥塑性理论的Eurofer97疲劳预测结果，从图中可以看出在不同温度下的预测结果都和测试结果体现了较好的一致性。但这种模型需要大量的实验数据进行支持，以确定模型中与材料相关的性能参量。因此要发展CLAM钢的疲劳寿命预测模型仍需要开展大量的疲劳测试实验。I {>5 ：： 1 (r-T-TTir-j 1 1TTTTTrj 1 1-F82H IllOti ratrlor i、r iwo 之一- im liicuinc；丨()r 1气\ ^

本文编号：2822214