中国低活化马氏体钢高温热时效行为与力学性能退化机理研究

发布时间：2017-12-16 02:11

  本文关键词：中国低活化马氏体钢高温热时效行为与力学性能退化机理研究

  更多相关文章： 中国低活化马氏体钢 热时效 韧脆转变温度 蠕变 Arrhenius模型

【摘要】：聚变堆包层候选结构材料低活化铁素体/马氏体钢(Reduce Activation Ferritic/Martensitic,RAFM)服役温度上限为550℃,长期服役时其显微组织将逐渐发生变化并导致力学性能退化,最终影响部件的使用安全性。中国低活化马氏体钢(China Low Activation Martensitic steel,CLAM)作为世界三大低活化钢之一,是中国ITER测试包层模块的首选结构材料,其高温热稳定性是影响CLAM钢服役安全性的重要因素之一,也关系到CLAM钢最终能否实现工程应用。同时高温热时效过程中组织性能退化机理研究,对CLAM钢组织成分优化和热稳定性改进具有重要理论指导意义。本论文主要针对中国ITER测试包层模块服役过程中的温度工况,开展CLAM钢高温热时效行为研究。首先,本文研究了 CLAM钢在550 ℃时效后室温拉伸和冲击性能,分析了时效过程中其微观组织演变以及拉伸冲击性能退化规律。研究表明时效过程中CLAM钢第二相数量密度先增加后减小,而尺寸不断增加。动力学分析结果显示Laves相在时效20,000 h前长大速率是相同状态下M23C6的70倍,TaC颗粒的130倍。CLAM钢时效过程中马氏体板条逐渐退化为亚晶,原奥氏体晶粒不断粗化,单位面积的晶界长度逐渐减小。CLAM钢时效过程中其拉伸性能总体变化不大,但韧脆转变温度变化明显。时效20,000 h后DBTT从未时效的-90.2 ℃上升至-37.5 ℃。通过对CLAM钢断裂模型分析得到550 ℃时效过程中,晶界对CLAM钢断裂起主导作用。因此,细化晶粒是提高时效前后CLAM钢韧性、降低DBTT的有效途径之一。其次,本文研究了 550 ℃热时效对CLAM钢高温拉伸和蠕变的影响,分析了时效后材料高温拉伸以及蠕变性能变化机理。研究表明550 ℃时效对CLAM钢高温强度影响并不显著,而其蠕变性能随着时效时间的延长而逐渐下降。时效前CLAM钢的最小蠕变速率和蠕变断裂时间分别为3.61 × 104 s-1和202 h,时效4,000 h后其数值分别为6.84× 104 s-1和111 h。微观分析结果表明,蠕变后马氏体板条粗化、第二相数量和尺寸增加。通过计算分析得到时效过程中CLAM钢基体内固溶的溶质原子数量逐渐减小可能是导致其蠕变速率增加的原因。相关研究对CLAM钢组织优化以及提高其蠕变性能具有重要意义。最后,本文基于不同时效温度(550 ℃、600 ℃和650 ℃)下CLAM钢时效行为结果,采用Arrhenius模型,建立加速模拟CLAM热时效模型。研究表明高温可有效加速CLAM钢时效过程的晶粒粗化、第二相演化以及DBTT升高。断裂模型计算分析结果表明:550 ℃、600 ℃和650 ℃时效8,000 h过程中引起DBTT变化的主要因素是晶粒粗化。以Arrhenius模型为基础建立了CLAM钢不同温度热时效后DBTT之间的联系,并得到DBTT与时效程度D的数学关系式:DBTT=DBTT0+70D-223,利用CLAM钢高温加速时效模型,通过高温短时时效来模拟低温长时时效,降低时间和经费成本从理论上是可行的。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL627

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本文编号：1294294