本文選題：一回路主管道　切入點：高溫高壓水　出處：《北京科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：核電站一回路主管道在使用過程中因溫度變化或啟停堆過程中會受到循環(huán)熱應力的影響,且服役環(huán)境為高溫高壓水環(huán)境,因此腐蝕疲勞是主管道材料失效的主要方式之一。壓水堆核電站主管道主要采用Z3CN20.09M雙相不銹鋼和316LN奧氏體不銹鋼。前者因含有一定量的鐵素體,在焊接或熱處理時往往會有6相的析出；服役過程中鐵素體相還會發(fā)生熱老化現(xiàn)象。316LN不銹鋼主管道是采用整體鍛造的方法制備,因外形尺寸大,鍛造過程復雜,往往出現(xiàn)晶粒大小不均勻的現(xiàn)象。而這些組織演變均會對主管道的力學、腐蝕和腐蝕疲勞性能造成不同程度的影響。本文通過研究兩種不銹鋼在高溫高壓水環(huán)境下氧化膜的組成和力學性能特征闡釋了水環(huán)境促進疲勞裂紋萌生和擴展的機理,同時研究了晶粒尺寸對316LN不銹鋼、σ相的析出和熱老化對Z3CN20.09M雙相不銹鋼在服役環(huán)境下腐蝕疲勞性能的影響,并揭示了組織演變對兩種主管道不銹鋼腐蝕疲勞行為的影響機制。主要研究內容和結論如下：(1)研究了316LN不銹鋼的熱加工性能,在此基礎上研究了不同鍛造工藝對其組織和力學性能的影響。結果表明：316LN不銹鋼在1100℃鍛造、1150℃固溶處理后能夠得到最佳的組織和力學性能組合,晶粒尺寸約為80μm,抗拉強度為601.5MPa,屈服強度為266.2MPa,延伸率為68%,符合西屋公司對材料組織和性能的設計要求。(2)利用腐蝕疲勞測試系統(tǒng)研究了高溫高壓水環(huán)境下兩種不銹鋼的疲勞裂紋萌生行為,通過氧化膜的組成分析了水環(huán)境促進裂紋萌生的機理。316LN不銹鋼的裂紋萌生僅在材料表面的駐留滑移帶處萌生,且疲勞裂紋在材料疲勞壽命的前20%已經開始萌生。Z3CN20.09M雙相不銹鋼的疲勞裂紋首先在試樣表面的駐留滑移帶處萌生,然后在相界處,最后還會在點蝕坑處萌生,但主要是在駐留滑移帶處。與高溫空氣環(huán)境下相比,水環(huán)境下裂紋萌生早、數(shù)量多。(3)研究了高溫高壓水環(huán)境對兩種不銹鋼裂紋擴展的影響,分析了水環(huán)境的氧化作用和裂紋擴展在裂紋尖端處相互促進的機制,通過氧化膜的力學性能得出了水環(huán)境促進兩種材料腐蝕疲勞裂紋擴展的根本原因。Z3CN20.09M雙相不銹鋼中鐵素體相的存在減緩了疲勞裂紋的萌生和擴展過程,提高了材料的疲勞壽命。鐵素體相阻礙滑移帶的延伸從而推遲裂紋萌生因鐵素體相較高的強度和耐蝕性,裂紋擴展過程減慢。(4)研究了316LN不銹鋼晶粒尺寸對腐蝕疲勞性能的影響及其機理。結果表明：細化晶粒能夠改善316LN不銹鋼的腐蝕疲勞性能。當晶粒尺寸細化至30μm時可明顯提高其疲勞壽命,而晶粒尺寸為80和210μmm的試樣的疲勞壽命明顯較低,且二者差距不大。對于中等和大晶粒的316LN不銹鋼,其疲勞裂紋常常在駐留滑移帶和晶粒取向界面處萌生；而小晶粒試樣表面卻不容易萌生裂紋。另外,不同疲勞試樣心部的位錯結構不同,小晶粒試樣中往往由位錯墻和位錯包組成,而中等晶粒和大晶粒試樣則是由一簇一簇的平面滑移帶組成。(5)研究了6相析出對Z3CN20.09M雙相不銹鋼腐蝕、力學和腐蝕疲勞性能的影響,分析了惡化的力學和腐蝕性能的共同作用對疲勞裂紋萌生機理的影響。結果表明：隨著750℃下熱處理時間的延長,σ相含量不斷增多,力學和腐蝕性能不斷惡化,腐蝕疲勞壽命不斷降低。不同于原始試樣,熱處理后試樣的疲勞裂紋大量在表面的點蝕坑處萌生,在試樣內部則主要是在鐵素體斷裂處萌生。鐵素體相分解導致力學與腐蝕性能惡化后的共同作用是Z3CN20.09M雙相不銹鋼疲勞壽命降低的根本原因。(6)研究了475。C熱老化對Z3CN20.09M雙相不銹鋼腐蝕、力學和腐蝕疲勞性能的影響及其機理。在熱老化前1000小時內,隨著熱老化時間延長,材料的力學和腐蝕性能都不斷下降,而熱老化2000小時后二者均有所回復,即發(fā)生了自愈現(xiàn)象。同樣,腐蝕疲勞性能也隨著熱老化時間的延長而不斷下降,但熱老化1000和2000小時材料的疲勞壽命差別不大。
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【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG142.71

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本文編號：1635486