大气及溶液环境下传热管材料微动磨损行为及损伤机制

发布时间：2018-01-13 07:14

本文关键词：大气及溶液环境下传热管材料微动磨损行为及损伤机制　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着全球能源危机的到来,核能已成为各国解决能源危机的重要手段。如何安全、高效地利用核能也日益成为研究的焦点。蒸汽发生器作为一二回路的枢纽是压水堆核电站关键设备之一,然而传热管内流体振动使传热管与其支撑板连接处发生微动磨损,导致传热管局部减薄甚至破裂,使用寿命降低,危及核电站安全。因此,研究传热管的微动磨损行为及损伤机理对延长传热管的使用寿命,提高核电站的效率和安全性具有重要的意义。针对传热管微动磨损行为,国内外已开展了多方面的基础研究,但环境与微动磨损行为及损伤机制之间的相关性尚未清晰。本文以传热管材Inconel 600/690TT(thermally treated)合金为研究对象,研究了常温大气、常温溶液以及外加电位环境下,材料的微动磨损行为,并结合光学显微镜、白光形貌仪、激光共焦扫描显微镜、扫描电子显微镜、电子能谱、X射线光电子能谱、聚焦离子束以及透射电子显微镜等表征方式,对微动过程中磨痕亚表面的组织转变,裂纹扩展以及氧化行为进行了深入分析,系统地揭示了传热管的微动磨损规律及组织损伤机制,建立了微动磨损过程中组织损伤模型以及环境和微动磨损规律及组织损伤机制之间的相关性,取得如下主要结果:(1)常温大气环境:完全滑移区的磨损机制为氧化磨损和剥层磨损。微动导致磨痕底部组织呈层状分布,由表及里依次为磨屑层(wear debris layer,WDL),摩擦学转变组织层(tribologically transformed structure,TTS)、一般塑性变形层(generally deformed layer,GDL)以及基体。随后,在外力和氧的共同作用下,TTS层被氧化并与转移的304SS(stainless steel)材料混合形成由不同氧化物以及镍基金属晶粒组成的WDL。部分滑移区的磨损机制主要为粘着磨损和氧化磨损。应力集中导致在磨痕表面呈环状分布的疲劳裂纹以穿晶和沿晶的混合方式与表面呈30-50°向基体内部扩展。相对部分滑移区,完全滑移区时剥层裂纹的形成加剧材料的磨损。晶粒尺寸与微动磨损行为及损伤机制间依赖性的研究表明,晶粒尺寸的增加不利于TTS层的形成,导致较长剥层裂纹的形成,进而使得材料抗微动磨损性能降低,磨损体积增加。(2)常温溶液环境:溶液及氯离子对微动损伤行为的影响主要体现在以下几个方面。首先,由于溶液环境下氧含量较低,TTS发生楔入氧化即在WDL/TTS的界面处,氧化以楔入的方式进入TTS层形成富铬氧化区,同时在其周围形成富镍区。TTS层的进一步氧化形成WDL,在WDL中Cr、O与Ni、Fe元素之间呈现明显的此消彼长的关系。其次,溶液的润滑性促使纯水环境下接触面微动状态由部分滑移区向完全滑移区转变,在完全滑移区时磨痕的表面及亚表面形成疲劳裂纹,在部分滑移区的表面形成犁沟。在溶液的低氧及润滑的共同作用下,纯水环境下的磨损体积(80N除外)和摩擦系数均减小。最后,氯离子的腐蚀性一方面促进接触面微动状态由部分滑移区向完全滑移区转变;另一方面导致3.5%NaCl溶液环境下完全滑移区磨痕亚表层的TTS层中富铬氧化区的尺寸增加,WDL被完全氧化,部分滑移区磨痕表层中心形成氧化物,磨痕亚表层疲劳裂纹长度减小,材料的磨损体积均增加、摩擦系数均减小。(3)外加电位环境:接触面的电化学状态对微动磨损规律及组织损伤机制影响显著。在阴极极化区,磨损机制主要为犁削磨损,外加电位对摩擦系数和磨损体积影响较小;在阳极极化区,磨损机制主要为犁削磨损和氧化磨损,外加电位对摩擦系数和磨损体积影响显著。阴极极化区:阴极电流抑制氧化,TTS层和WDL均未发生氧化;钝化区:TTS层和WDL均发生氧化,阳极电流导致TTS层的富铬氧化区尺寸增加;过钝化区,过钝化电流促使TTS层和剥离材料被氧化形成可溶性氧化物,导致磨痕表面仅为少量腐蚀产物,而未观察到WDL。阴极电流抑制TTS层的氧化减缓材料的磨损,阳极电流促进TTS层的氧化进而加剧材料的磨损。(4)微动磨损中,环境对损伤机制以及磨损体积的影响强烈依赖于磨痕亚表层TTS的氧化程度。
[Abstract]:With the advent of the global energy crisis , nuclear energy has become an important means to solve the energy crisis . In this paper , the wear mechanism of the surface and the surface of the surface of the surface of the partial slip zone is increased , and the wear volume of the material is increased . ( 3 ) External potential environment : The electrochemical state of the contact surface has a significant influence on fretting wear and damage mechanism of tissue . In the cathodic polarization zone , the wear mechanism is mainly the plough wear , the applied potential has a significant influence on the friction coefficient and wear volume . In the cathodic polarization zone : the cathode current inhibits oxidation , the TTS layer and WDL are not oxidized ; the passivation zone : the TTS layer and the stripping material are oxidized to form soluble oxides . The oxidation of the TTS layer is promoted by the anodic current .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL353.13

【参考文献】