双相不锈钢因铁素体相和奥氏体相的双相组织而具有很好的耐蚀性和优良的机械性能,如强度高,耐腐蚀性能和良好的可焊接性良好等。因此,双相不锈钢被广泛应用于压水核反应堆冷却水主管道等重要组件。然而,双相不锈钢在280 ℃至450 ℃温度范围长期服役容易发生热老化脆化现象。冷却水主管道一旦破裂将可能引起严重的核泄露事故,因此近年来核电双相不锈钢的热老化脆化一直是核材料领域的研究热点。本文针对国内压水堆核电站的主管道材料进行热老化研究。双相不锈钢材料经过400 ℃热老化10 000 h后,分析了其在室温拉伸、高温拉伸、夏比冲击、纳米压痕测试下的变形行为,并通过电子背散射衍射(EBSD)与透射电子显微镜(TEM)研究了热老化前后材料在不同变形区域铁素体相和奥氏体相的组织演变。在此基础上讨论了铁素体相和奥氏体相两相间微观应力/应变分布与裂纹萌生之间的关系,揭示了热老化双相不锈钢的形变机制与微观断裂机制。研究成果将有助于掌握核电双相不锈钢材料的失效规律,对我国核电站的国产化与安全运行都有重要意义。双相不锈钢在400 ℃热老化10 000小时后进行了室温下原位拉伸试验,研究长期热老化对其塑性变形机制和裂纹萌生的影响。热老化后,材料的抗拉强度增加而塑性明显降低,断裂模式由浅韧窝的韧性断裂转变为铁素体解理断裂和奥氏体相撕裂的混合模式。通过电子背散射衍射方法来研究变形后三种不同变形程度区域内奥氏体和铁素体晶粒的晶体取向变化。EBSD分析结果表明,多个高应变区出现在奥氏体晶界和铁素体/奥氏体相界,这些高应力集中的局部应变区域和裂纹萌生密切相关。长期热老化会影响裂纹萌生机制,解理裂纹萌生于热老化铁素体晶粒内。研究了热老化对铸造双相不锈钢的高温塑性变形行为和断裂机制的影响。长期热老化后,双相不锈钢的抗拉强度明显增加而屈服强度略有增加。微裂纹在铁素体内萌生后沿相界扩展,导致铁素体相在试样拉伸断裂之前而发生断裂。纳米压痕测试表明,热老化后铁素体相的纳米压痕硬度明显增加,但随着变形量的增加变化不明显。电子背散射衍射观察表明,铁素体/奥氏体相界处应力集中是相界产生裂纹的原因。铁素体相内调幅分解组织与G相对位错运动的阻碍是导致铁素体的塑性变形能力降低的主要原因。研究了热老化和相应相变对双相不锈钢的室温冲击变行行为和断裂机制的影响。长期热老化后,材料的夏比冲击功显著降低,裂纹更容易萌生和扩展,冲击断口表面变得平坦,这与铁素体相的热老化硬化有关。热老化后铁素体相塑性变形能力的退化导致冲击性能的降低,热老化材料中高应力集中区域主要出现在铁素体/奥氏体相相界和奥氏体晶界附近。由于铁素体晶粒的热老化硬化,裂纹萌生于铁素体晶粒内。通过对热老化处理后Z3CN20-09M双相不锈钢进行纳米压痕硬度和电子背散射衍射测试,研究了纳米压痕过程中的塑性变形行为,以及晶体取向对纳米压痕硬度和压痕模量的影响。纳米压痕硬度和压痕模量随取向因子的变化规律基本一致。热老化后,铁素体的显微硬度和压痕模量随晶体取向变化明显。对于铁素体相和奥氏体相,显微硬度和压痕模量的最大和最小值均出现在<111>晶粒取向附近和<001 >晶粒取向附近。透射电镜分析结果表明,热老化后铁素体晶粒的塑性变形影响区域有所减少,而调幅分解组织和析出相对位错运动的阻碍作用,是造成铁素体相的塑性变形能力退化的主要原因。