RPV模拟钢中纳米富Cu相与位错交互机制的研究

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反应堆压力容器(RPV)是核电站中不可更换的大型关键部件,其安全工作的时间决定了核电站的使用寿命。在服役时长期中子辐照会导致RPV钢中析出纳米富Cu相,使钢的韧脆转变温度升高,断裂韧性降低,增加了材料的脆化程度,严重影响RPV运行安全。研究纳米富Cu相析出后的变形特征,可以间接地获得RPV钢力学性能变化的特征及其与位错的交互作用机理,从而推断其形变机制。本研究采用的三种RPV模拟钢是在A508-Ⅲ钢的基础上提高了Cu的含量,并改变了合金元素Ni和Mn的含量。这三种RPV模拟钢经过调质处理后,在500℃时效不同时间并进行了变形量为5%和10%的冷轧变形。采用高分辨透射电镜(HRTEM)和能谱仪(EDS)研究了时效过程中纳米富Cu相的晶体结构及其演化过程;用HRTEM和EDS研究了变形后纳米富Cu相的变形特征及其与位错的交互机制;用维氏硬度计和纳米压痕仪研究了纳米富Cu相在析出过程样品硬度的变化和变形量对硬度的影响;用激光导热仪研究了纳米富Cu相在析出过程样品导热性能的变化以及冷轧变形对导热系数的影响。(1)用HRTEM观察了RPV模拟钢在500℃时效过程中纳米富Cu相的演化过程。纳米富Cu相从b.c.c结构转变成9R结构,最后转变成为f.c.t结构或f.c.c结构。在观察的结果中发现9R结构存在正交和单斜两种变体。初次发现了尺寸达到14nm的b.c.c结构的纳米富Cu相。(2)冷轧变形引入的位错会与纳米富Cu相产生交互作用,使纳米富Cu相产生不同的变形特征,纳米富Cu相的变形特征与其晶体结构、以及富Cu相与基体的取向关系相关。纳米富Cu相的变形特征主要包括原子面的错排、产生堆垛层错、晶体结构孪生变形;同一个纳米富Cu相中存在多种不同的变形特征。(3)随着变形量的增加,纳米富Cu相形貌和结构的变化更加明显。发生孪生变形的纳米富Cu相的结构主要为f.c.c结构,孪晶面为{111}Cu晶面,并且该晶面平行于{110}α-Fe晶面,随着变形量的增加,孪生数量增加。(4)添加合金元素Ni和Mn促进纳米富Cu相的析出。在相同时效处理条件下,添加Ni、Mn元素的RPV模拟钢中析出的纳米富Cu相的尺寸变化不明显,在冷轧变形时对位错的钉扎作用更强。(5)纳米富Cu相的析出导致样品性能产生了变化。随时效时间的延长,RPV模拟钢的硬度先增加后降低,在时效200h时硬度达到峰值。相对变形前的样品,冷轧变形后样品的硬度增加,并且随着变形量的增加,硬度增加更明显。变形量一定的情况下,时效时间延长,硬度变化的趋势与变形前相同。随时效时间的延长,RPV模拟钢的导热系数先减小后增大,在时效200h时导热系数达到最小值。冷轧变形使样品的导热系数降低,导热系数变化的趋势与变形前相同。
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