论文部分内容阅读
核聚变能由于其具有清洁性、可再生性而成为现代社会发展最具潜力的新型能源。聚变反应装置中支撑超导线圈的首选结构材料为低活化铁素体/马氏体钢，该钢种长期在高温和强磁场的环境下服役，其组织演变受到磁场的强烈影响。因此，研究强磁场下低活化钢回火过程中基体组织和合金碳化物的形成与演变机制具有极其重要的科学意义和工程价值。
本文在候选低活化钢化学成分(9Cr-WVTa)的基础上，为了简化复杂成分给研究带来的影响，分别设计了含有耐热元素Cr的Fe-C-Cr合金耐热钢和含有耐热元素W的Fe-C-W合金耐热钢。利用扫描电镜、背散射电子衍射、透射电镜等检测分析手段以及第一性原理计算，系统研究了在不同回火温度和回火时间下，12T强磁场对两种耐热钢的基体组织和合金碳化物的影响。主要结果如下:
(1)Fe-C-Cr耐热钢在低温200℃回火3600s时，基体中析出大量的过渡性碳化物M2C，施加磁场使碳化物数密度升高，这是因为磁场降低了M2C形核势垒，增加M2C形核率。
(2)Fe-C-Cr耐热钢低温回火时，位错激活能低，大部分位错不满足位错发生移动的必要条件(有效应力必须大于Peierls应力)，因此可移动位错数量少，位错密度高。马氏体板条内部高密度位错产生的非热应力高，引起应变能增大。基体内部应变能增大降低了具有低能量的小角度晶界转化为高界面能的大角度晶界的可能性，因此使低能量的小角度晶界含量增高。小角度晶界含量越高，马氏体板条越稳定，马氏体回复越缓慢。
(3)回火温度升高至500℃时，Fe-C-Cr耐热钢中过渡性碳化物M2C逐渐减少，M3C型碳化物逐渐增多，施加磁场后，总的碳化物密度更大。回火温度升高，位错所受温度的作用力增大，导致其有效应力增大，最终使可移动位错的数量增加，位错回复加剧，位错密度随之降低。而施加12T强磁场后，总的碳化物数密度升高，阻碍了可动位错的运动，因此抑制了位错的回复。高密度的位错提高了小角度晶界的含量，使马氏体板条的稳定性提高。因此，强磁场的施加抑制了马氏体的回复，且效果比低温时要强。
(4)Fe-C-Cr耐热钢在700℃回火3600s时，位错受温度作用力的影响，可动位错数量大大增加，位错运动更加频繁，位错回复剧烈，密度大大降低。施加强磁场，M3C型碳化物密度增大。高密度的碳化物和大量可移动位错发生交互作用，增大了位错绕过碳化物的临界解钉扎应力，使位错运动大大受阻，因此磁场抑制了位错的回复，增大了基体中残留位错的密度。高密度位错增大了基体内的应变能，最终使小角度晶界含量大提高，马氏体板条稳定性提高。回火温度越高，强磁场对Fe-C-Cr耐热钢马氏体基体回复的抑制效果越明显。
(5)Fe-C-W耐热钢在低温200℃回火3600s时，基体中析出大量M3C型合金碳化物。而在回火过程中施加12T强磁场时，M2C型合金碳化物的数密度提高。低温回火时高密度位错导致较高的小角度晶界含量，马氏体板条平均宽度小。
(6)Fe-C-W合金钢在中温500℃回火600s时，基体中只有M2C析出，随着12T强磁场的施加，基体中析出了M6C型碳化物Fe3W3C，磁场的施加促进了M6C型碳化物提前析出。主要原因为施加强磁场时，M6C型碳化物的磁化强度更大，磁自由能的改变量降低得更多，因此磁场的施加促进了其提前析出，且随着回火时间的延长，强磁场的施加导致M6C型碳化物的体积分数增加。
(7)Fe-C-W合金钢在中温回火过程中，随着回火时间的延长，可动位错密度增多，位错振动次数增大，越过障碍物的频率升高。因此更多的位错运动加剧了位错回复，导致最终的位错密度降低。
(8)Fe-C-W合金钢在高温700℃回火时，位错受温度作用力的影响，可动位错数量大大增加，位错运动更加频繁，位错回复剧烈，密度大大降低。施加强磁场，碳化物密度增大。高密度的碳化物增大了位错绕过碳化物的线张力，使位错运动大大受阻，因此强磁场抑制了位错的回复，增大了基体中残留的位错密度。高密度位错增大了基体内的应变能，最终使小角度晶界含量大提高，马氏体板条稳定性提高。因此12T强磁场的施加明显抑制了马氏体的回复。
本文在候选低活化钢化学成分(9Cr-WVTa)的基础上，为了简化复杂成分给研究带来的影响，分别设计了含有耐热元素Cr的Fe-C-Cr合金耐热钢和含有耐热元素W的Fe-C-W合金耐热钢。利用扫描电镜、背散射电子衍射、透射电镜等检测分析手段以及第一性原理计算，系统研究了在不同回火温度和回火时间下，12T强磁场对两种耐热钢的基体组织和合金碳化物的影响。主要结果如下:
(1)Fe-C-Cr耐热钢在低温200℃回火3600s时，基体中析出大量的过渡性碳化物M2C，施加磁场使碳化物数密度升高，这是因为磁场降低了M2C形核势垒，增加M2C形核率。
(2)Fe-C-Cr耐热钢低温回火时，位错激活能低，大部分位错不满足位错发生移动的必要条件(有效应力必须大于Peierls应力)，因此可移动位错数量少，位错密度高。马氏体板条内部高密度位错产生的非热应力高，引起应变能增大。基体内部应变能增大降低了具有低能量的小角度晶界转化为高界面能的大角度晶界的可能性，因此使低能量的小角度晶界含量增高。小角度晶界含量越高，马氏体板条越稳定，马氏体回复越缓慢。
(3)回火温度升高至500℃时，Fe-C-Cr耐热钢中过渡性碳化物M2C逐渐减少，M3C型碳化物逐渐增多，施加磁场后，总的碳化物密度更大。回火温度升高，位错所受温度的作用力增大，导致其有效应力增大，最终使可移动位错的数量增加，位错回复加剧，位错密度随之降低。而施加12T强磁场后，总的碳化物数密度升高，阻碍了可动位错的运动，因此抑制了位错的回复。高密度的位错提高了小角度晶界的含量，使马氏体板条的稳定性提高。因此，强磁场的施加抑制了马氏体的回复，且效果比低温时要强。
(4)Fe-C-Cr耐热钢在700℃回火3600s时，位错受温度作用力的影响，可动位错数量大大增加，位错运动更加频繁，位错回复剧烈，密度大大降低。施加强磁场，M3C型碳化物密度增大。高密度的碳化物和大量可移动位错发生交互作用，增大了位错绕过碳化物的临界解钉扎应力，使位错运动大大受阻，因此磁场抑制了位错的回复，增大了基体中残留位错的密度。高密度位错增大了基体内的应变能，最终使小角度晶界含量大提高，马氏体板条稳定性提高。回火温度越高，强磁场对Fe-C-Cr耐热钢马氏体基体回复的抑制效果越明显。
(5)Fe-C-W耐热钢在低温200℃回火3600s时，基体中析出大量M3C型合金碳化物。而在回火过程中施加12T强磁场时，M2C型合金碳化物的数密度提高。低温回火时高密度位错导致较高的小角度晶界含量，马氏体板条平均宽度小。
(6)Fe-C-W合金钢在中温500℃回火600s时，基体中只有M2C析出，随着12T强磁场的施加，基体中析出了M6C型碳化物Fe3W3C，磁场的施加促进了M6C型碳化物提前析出。主要原因为施加强磁场时，M6C型碳化物的磁化强度更大，磁自由能的改变量降低得更多，因此磁场的施加促进了其提前析出，且随着回火时间的延长，强磁场的施加导致M6C型碳化物的体积分数增加。
(7)Fe-C-W合金钢在中温回火过程中，随着回火时间的延长，可动位错密度增多，位错振动次数增大，越过障碍物的频率升高。因此更多的位错运动加剧了位错回复，导致最终的位错密度降低。
(8)Fe-C-W合金钢在高温700℃回火时，位错受温度作用力的影响，可动位错数量大大增加，位错运动更加频繁，位错回复剧烈，密度大大降低。施加强磁场，碳化物密度增大。高密度的碳化物增大了位错绕过碳化物的线张力，使位错运动大大受阻，因此强磁场抑制了位错的回复，增大了基体中残留的位错密度。高密度位错增大了基体内的应变能，最终使小角度晶界含量大提高，马氏体板条稳定性提高。因此12T强磁场的施加明显抑制了马氏体的回复。