应力和钽含量对CLAM钢高温蠕变行为影响分析

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聚变堆包层结构材料的服役性能是否满足聚变堆设计要求,是聚变堆能否实现成功运行的关键问题之一。由于包层长期在高温和载荷作用的环境下服役,为了保证部件服役的安全性和系统运行的稳定性,要求结构材料必须具有良好的高温蠕变性能。中国低活化马氏体(CLAM)钢,被选作为中国ITER-TBM(International Thermonuclear Experimental Reactor-Test Blanket Module)的首选结构材料。随着ITER建设的推进和TBM认证的要求,CLAM钢的蠕变性能评估测试工作愈加紧迫。为此,本文围绕CLAM钢的蠕变性能开展了一系列相关研究工作。由于应力和微量元素钽(Ta)是影响材料蠕变性能的重要因素,因此本文重点研究应力和钽含量对CLAM钢蠕变行为的影响。  首先,本文通过开展550℃和600℃不同应力水平的蠕变实验,探究了应力对CLAM钢蠕变行为的影响。结果显示,在相同温度下,应力越高,材料的蠕变速率越大,稳态蠕变阶段越短,蠕变断裂时间越短。通过研究应力与稳态蠕变速率的关系,可知CLAM钢的稳态蠕变速率与应力成指数关系,同时应力指数很高,这说明CLAM钢在高应力水平的蠕变变形机制是位错运动。经过高温蠕变实验后,CLAM钢基体中的位错密度会下降,M23C6碳化物的尺寸会变得粗大,导致材料的强度降低,硬度值下降。CLAM钢的蠕变断口形貌具有韧性断裂的特征,韧窝深度随着应力的增加而变浅。  其次,本文通过分别测试4种不同Ta含量CLAM钢在550℃的蠕变性能,研究Ta含量对CLAM钢蠕变性能的影响,实验中Ta含量的质量百分比分别为0.027%、0.078%、0.15%和0.18%。结果显示,在短时蠕变实验中,随着Ta含量的提高,CLAM钢的稳态蠕变速率降低,蠕变断裂时间增长,Ta含量为0.18%的CLAM钢具有最好的蠕变性能。CLAM钢的晶粒尺寸随着Ta含量的增加而减下,说明Ta能够细化晶粒,起到细晶强化的作用。随着Ta含量的提高,CLAM钢中的富Ta析出相增多,析出相对材料的强化作用更强,使材料具有更好的蠕变性能。Ta含量越高,材料的塑性越好,韧窝深度越深,韧窝尺寸越大。
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