【摘 要】
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材料问题是能否实现可控核聚变能源应用的关键,低活化马氏体/铁素体钢被普遍认为是未来核聚变示范堆和第一座商用核聚变电站的首选结构材料,其服役条件为高温(325~550℃)和强磁场(2.2~6.5 T)。在强磁场极端服役条件下的组织(马氏体、位错以及碳化物)演变将严重影响钢的服役寿命,进而影响聚变堆的安全。本文采用多种微观组织检测方法(扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、电子背散射衍射、小角中子散射)研究
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材料问题是能否实现可控核聚变能源应用的关键,低活化马氏体/铁素体钢被普遍认为是未来核聚变示范堆和第一座商用核聚变电站的首选结构材料,其服役条件为高温(325~550℃)和强磁场(2.2~6.5 T)。在强磁场极端服役条件下的组织(马氏体、位错以及碳化物)演变将严重影响钢的服役寿命,进而影响聚变堆的安全。本文采用多种微观组织检测方法(扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、电子背散射衍射、小角中子散射)研究了强磁场对低活化试验钢(Fe-C-W钢)在不同温度下(200℃、500℃、700℃)回火不同时间(10 min、1 h或2 h)过程中微观组织及合金碳化物演变的影响。在基础理论方面,本文将磁场因素引入,扩展了修正的Williamson-Hall法,半定量得到位错密度变化规律。200℃等温回火2 h时,强磁场影响位错密度和碳化物析出,促进马氏体回复。强磁场促进基体中原子迁移以及削弱柯氏气团对位错的钉扎作用,导致位错密度由(2.115±0.011)x1014/m2降至(1.125±0.007)x1014/m2。另一方面强磁场导致Fe3C的形核率增加,其热力学本质是磁场影响其磁自由能,进而减少了形核的总自由能,降低了形核势垒,导致碳化物数密度由(1.13±0.02)×106/mm2增至(1.64±0.05)×106/mm2。500℃等温回火10 min和2 h时,强磁场促进马氏体回复。位错分解、合并形成亚晶界,分割马氏体板条,最终转变为铁素体。中温回火10 min后,晶格常数及位错密度均降低,碳化物析出增多,晶粒平均尺寸无明显变化。中温回火2 h后,Fe-C-W试样中晶格常数和位错密度变化趋势与等温10 min一致,碳化物体积分数由0.16%增至0.26%,平均半径由23.44 nm增至30.42 nm。中温回火不同时间,施加强磁场后碳化物的变化与低温回火一致,由于强磁场的施加使得碳化物的磁自由能降低,最终导致形核率增加,促进了其析出。700℃等温回火1 h和2 h时,强磁场促进马氏体发生回复和再结晶。平均晶粒尺寸增大,马氏体转变为铁素体组织。刃位错可获得足够的能量产生攀移,板条内高密度位错通过移动,使得沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙,由此产生具有多边形结构的亚晶,晶内位错密度降低。同时,基体中有弥散分布的纳米碳化物析出,施加强磁场后,碳化物尺寸增大,单位面积上数密度降低。高温回火1 h时,施加强磁场后,碳化物晶粒尺寸趋向两极分化,其生长速率也不相同,小尺寸晶粒生长缓慢,大尺寸晶粒生长迅速。
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