CLAM钢高温组织演变与力学性能研究

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为优化电力资源的结构,促进经济和社会的可持续协调发展,目前世界上很多国家都在大力扶持核电。相对于核裂变反应,可控性核聚变反应更加高效、更加安全。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢作为未来核聚变反应堆第一壁包层的首选结构材料而备受关注。中国低活化(CLAM)钢作为RAFM钢之一,近十年来得到长足发展。目前CLAM钢在制备技术上已基本成熟,但在精确的热处理制度和长期时效、蠕变方面还缺乏研究和数据。本文以CLAM钢为研究对象,系统研究了CLAM钢的热处理制度,以及CLAM钢分别在时效和蠕变过程中的组织演变,并建立了组织演变与力学性能变化之间的联系。本文通过正火和回火处理来调控CLAM钢中的晶粒度、马氏体板条和析出相等微观组织,研究热处理工艺对材料的组织和力学性能的影响,确定了CLAM钢的最佳热处理温度制度为:980℃/30min+760℃/90min。通过分析和比较材料的力学性能变化发现,回火温度对力学性能的影响要大于正火温度对力学性能的影响。本文考察了600℃和650℃长时时效处理对CLAM钢组织和力学性能的影响规律,分析时效温度和时效时间对微观组织的影响。在时效温度和时效时间共同作用下,CLAM钢的组织发生演变:马氏体板条不断宽化甚至碎化为亚晶;M23C6碳化物颗粒发生粗化;组织中除了原有的M23C6碳化物和MX碳氮化物外,CLAM钢在长期时效过程还析出Laves相。Laves相的析出时间与温度密切相关,尽管CLAM钢在600℃时效下的组织稳定性要高于650℃时效下的组织稳定性,但Laves相在600℃时效下析出的时间要早于Laves相在650℃的析出时间。另外,组织演变会直接影响CLAM钢的力学性能,尤其是Laves相的析出对CLAM钢韧脆转变温度(DBTT)的影响更加显著。CLAM钢600℃蠕变在130~140MPa之间存在一个门槛应力值,在高应力(门槛应力值之上)条件下的蠕变机制与低应力(门槛应力值之下)条件下的蠕变机制也不相同。因此在130~200MPa的应力范围内,应力降低到门槛应力以下时,CLAM钢的持久寿命会明显增加。CLAM钢在600℃及130MPa应力下的持久寿命明显优于同类RAFM钢(9Cr-1W-0.2V-0.06Ta钢)。另外,不同应力下的蠕变断裂机制也不相同。通过分析蠕变持久试样的断口形貌发现,CLAM钢在高应力条件下的持久断裂方式主要为韧性断裂;而在低应力条件下,CLAM钢持久断裂方式为脆性断裂。析出相在蠕变过程中的粗化会降低门槛应力。本文通过对比CLAM钢的蠕变和时效过程中组织形貌的差异,发现CLAM钢在蠕变过程中的组织演变速率要快于时效过程中的组织演变速率,表明应力促进组织的演变,促进Laves相的形核。
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