發(fā)布時(shí)間：2020-10-09 21:02

　　 超低碳316LN奧氏體不銹鋼因其具有優(yōu)良的耐蝕性能、力學(xué)性能以及焊接性能,已成為第三代核電技術(shù)AP1000一回路主管道的首選材料。AP1000核電一回路主管道尺寸為異形大尺寸構(gòu)件,在生產(chǎn)加工過(guò)程中(如鍛造、焊接和熱處理)易出現(xiàn)晶粒不均勻、第二相析出等問(wèn)題。這些組織演變問(wèn)題會(huì)對(duì)主管道的耐蝕性能和力學(xué)性能造成不同程度的影響。因此,研究316LN不銹鋼在生產(chǎn)加工過(guò)程中的組織演變規(guī)律及其對(duì)耐蝕性能的影響具有重要的意義�；诖�,本文系統(tǒng)研究了主管道用316LN不銹鋼在加熱、冷卻及高溫長(zhǎng)時(shí)間暴露過(guò)程中的組織演變規(guī)律及其對(duì)該材料在模擬一回路水環(huán)境中腐蝕性能的影響,主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)詳細(xì)研究了固溶處理工藝與三種不同初始晶粒狀態(tài)(30.3μm,66.5μm,121.4μm)316LN不銹鋼的晶粒尺寸、力學(xué)性能及耐蝕性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明:固溶溫度是影響晶粒長(zhǎng)大和組織均勻性的主要因素,當(dāng)固溶溫度在1050℃~1100℃之間時(shí)三種不同初始晶粒狀態(tài)的316LN不銹鋼晶粒長(zhǎng)大都較均勻。隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng),晶粒尺寸逐漸增大,不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低,但不銹鋼表面電子穩(wěn)定性提高,鈍化膜的均勻性及厚度增加,施主濃度和受主濃度減小,電化學(xué)腐蝕和晶間腐蝕性能得到改善。綜合分析得出了AP1000核電主管道的最佳固溶處理工藝為1050℃~1100℃保溫120 min~60 min,此工藝下獲得的晶粒尺寸和力學(xué)性能均滿足美國(guó)西屋公司的設(shè)計(jì)要求。(2)采取有限元模擬和熱模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,系統(tǒng)研究了AP1000核電主管道固溶處理后的冷卻速率和合金成分波動(dòng)對(duì)冷卻過(guò)程組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的影響,結(jié)果表明:a)主管道在冷卻過(guò)程各部位的溫差很大,主管道內(nèi)、外表面的冷卻速率最快,接管嘴與管身相連部位的中心處冷卻速率最慢。b)冷卻速率的變化和成分的波動(dòng)都會(huì)對(duì)316LN不銹鋼的微觀組織產(chǎn)生影響。當(dāng)各合金元素成分都取中間值時(shí),隨著冷卻速率的降低,不銹鋼的位錯(cuò)密度逐漸減小,晶界Cr、Mo元素偏聚加重。當(dāng)冷卻速率低于1℃/min時(shí),晶界、非共格孿晶以及晶內(nèi)均會(huì)析出第二相,晶界析出相主要為χ相,而非共格孿晶和晶內(nèi)析出相主要為Z相。析出相的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致不銹鋼表面鈍化膜特性及耐蝕性能下降。而當(dāng)Nb、C元素取成分上限,冷卻速率為96℃/min時(shí)就會(huì)析出顆粒狀的Z相,導(dǎo)致不銹鋼的耐蝕性能下降,故此時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其冷卻速率。(3)通過(guò)大量透射電鏡、掃描電鏡等表征手段對(duì)高Nb量316LN不銹鋼在650~950℃的析出行為進(jìn)行了研究,探明了析出相的類型及析出順序,建立了時(shí)效動(dòng)力學(xué)曲線,確定了敏感析出溫度,探討了析出機(jī)制。結(jié)果表明:a)高Nb量316LN不銹鋼中首先析出的第二相為氮化物Z相。它的析出溫度寬,析出速度快,持續(xù)析出時(shí)間長(zhǎng),尺寸穩(wěn)定性較高,與基體之間存在一定的位向關(guān)系:[010]z//[110]γ,(~—102)z//(~—111)]γ。b)Nb元素的加入導(dǎo)致Z相優(yōu)先析出,降低了奧氏體中N元素的飽和度,從而加速χ相、η相及ζ相等金屬間化合物的析出,抑制M_(23)C_6的析出。c)在最敏感析出溫度下(750℃),隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),析出相的含量逐漸增加,尺寸增大,最終以鏈狀形式布滿整個(gè)晶界。其時(shí)效析出順序?yàn)?首先在晶界和晶內(nèi)位錯(cuò)上析出顆�；蚨贪魻畹腪相→在晶界處析出塊狀或長(zhǎng)條狀的χ相→在晶內(nèi)析出顆粒狀的η相→在晶界處或晶內(nèi)位錯(cuò)上析出塊狀的ζ相→最后在晶界處析出條狀的M_(23)C_6。d)M_(23)C_6與奧氏體γ之間存在立方-立方的位向關(guān)系:[~—211]M_(23)C_6//[~—211]γ,(111)M_(23)C_6//(111)γ。χ相與奧氏體γ之間滿足Nishiyama-Wassermann關(guān)系:[001]χ//[011]γ,(110)χ//(111)γ。ζ相易發(fā)生粗化,主要有三種形成方式:一是在奧氏體晶界尤其是三晶粒交界、晶內(nèi)高密度位錯(cuò)區(qū)直接析出;二是在Z相周邊的貧N區(qū)析出;三是由亞穩(wěn)相χ相轉(zhuǎn)變而成。(4)利用極化曲線、交流阻抗(EIS)、Mott-Schottky(M-S)曲線、X射線光電子能譜(XPS)等測(cè)試手段對(duì)時(shí)效處理后的316LN不銹鋼在硼酸溶液中表面形成的鈍化膜特性(致密性、厚度、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等)進(jìn)行了詳細(xì)分析,采用電化學(xué)動(dòng)電位再活化法及慢應(yīng)變速率腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)了不銹鋼的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能,探討了析出相與鈍化膜特性、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的關(guān)系。結(jié)果表明:a)析出相的存在對(duì)不銹鋼表面鈍化膜的組成沒(méi)有影響,鈍化膜主要由Fe和Cr的氧化物、氫氧化物及少量Ni和Mo的氧化物組成。但隨著析出相含量的增加,鈍化膜中施主濃度和受主濃度增大,致密程度及厚度減小,導(dǎo)致耐蝕性能下降,并對(duì)其原因進(jìn)行了探討。b)發(fā)現(xiàn)Z相的析出雖然也會(huì)增加鈍化膜的施主濃度和受主濃度,使鈍化膜的穩(wěn)定性和致密程度降低,增加點(diǎn)蝕敏感性,但對(duì)晶間腐蝕影響不大。c)隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),析出相的增加,316LN不銹鋼在模擬一回路主管道服役環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性增加,斷裂形式由固溶態(tài)的機(jī)械斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)效態(tài)的沿晶斷裂、穿晶斷裂或兩者混合斷裂,這與析出相的含量和分布密切相關(guān)。此外,還對(duì)裂紋的起源進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)裂紋易起源于貧Cr區(qū),這與該區(qū)域鈍化膜的致密性較差有關(guān)。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG142.71;TM623
【文章目錄】：
摘要
abstract
注釋表
縮略詞
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 核電一回路主管道簡(jiǎn)介
    1.3 不銹鋼中合金元素的作用
    1.4 不銹鋼中的析出相
    1.5 不銹鋼的熱處理
    1.6 不銹鋼的腐蝕
    1.7 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第二章 實(shí)驗(yàn)材料及方法
    2.1 實(shí)驗(yàn)材料
    2.2 實(shí)驗(yàn)方法
    2.3 組織結(jié)構(gòu)表征
    2.4 性能測(cè)試
第三章 固溶處理對(duì)316LN不銹鋼組織及性能的影響
    3.1 引言
    3.2 不同初始晶粒尺寸試樣的制備
    3.3 固溶處理對(duì)316LN不銹鋼晶粒尺寸的影響
    3.4 固溶處理對(duì)316LN不銹鋼組織的影響
    3.5 晶粒尺寸對(duì)316LN不銹鋼力學(xué)性能的影響
    3.6 晶粒尺寸對(duì)316LN不銹鋼腐蝕性能的影響
    3.7 本章小結(jié)
第四章 固溶后冷卻速率對(duì)316LN不銹鋼組織及腐蝕性能的影響
    4.1 引言
    4.2 AP1000 核電主管道冷卻過(guò)程有限元模擬
    4.3 冷卻速率對(duì)316LN不銹鋼組織和腐蝕性能的影響
    4.4 成分波動(dòng)對(duì)316LN不銹鋼組織和腐蝕性能的影響
    4.5 本章小結(jié)
第五章 高Nb量316LN不銹鋼時(shí)效析出行為研究
    5.1 引言
    5.2 最敏感析出溫度范圍的確定
    5.3 最敏感析出溫度的析出行為
    5.4 非敏感溫度的析出行為
    5.5 第二相析出行為的討論
    5.6 本章小結(jié)
第六章 析出相對(duì)316LN不銹鋼腐蝕性能的影響
    6.1 引言
    6.2 電化學(xué)腐蝕
    6.3 晶間腐蝕
    6.4 應(yīng)力腐蝕
    6.5 本章小結(jié)
第七章 結(jié)論及展望
    7.1 全文結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

【參考文獻(xiàn)】

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