本文選題：氧化物彌散強(qiáng)化 + 鐵素體鋼�。� 參考：《北京科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：目前為止,人類面臨的最大問題就是日趨增長的能源需求問題,對這一問題的解決需要綜合考慮新能源的開發(fā)利用以及環(huán)境污染等諸多因素。在新能源中,核裂變能(Fission Energy)很可能在未來的低碳環(huán)保能源系統(tǒng)中繼續(xù)扮演非常重要的角色。根據(jù)國家政策要求,當(dāng)今核裂變反應(yīng)堆需要朝著更高效以及服役壽命更長的方向發(fā)展。由于超臨界水堆(Supercritical Water Reactor, SCWR)具有很高的經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)異的熱效率、以及簡單的設(shè)計(jì)理念,因此成為了第四代先進(jìn)核裂變系統(tǒng)中的重要候選堆型之一。由于超臨界水堆需要在強(qiáng)中子輻照、高瞬變應(yīng)力、以及強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)這樣極端的環(huán)境下運(yùn)行,因此,材料問題成為制約其工程應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵性問題。因?yàn)榧{米氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide Dispersion Strengthened, ODS)鐵素體鋼(Ferritic Steels)具有優(yōu)異的抗輻照損傷性能、高溫力學(xué)性能、以及抗腐蝕潛力,被認(rèn)為是超臨界水堆包殼管的主要候選材料之一。ODS鐵素體鋼具有如此優(yōu)異的性能主要是源自于它特殊的顯微組織結(jié)構(gòu)。通常情況下,ODS鐵素體鋼內(nèi)部存在著大量尺寸極為細(xì)小的納米氧化物彌散粒子,它們可以作為釘扎質(zhì)點(diǎn)有效地阻止基體內(nèi)位錯(cuò)和晶界的移動,從而提高材料的力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性能。同時(shí),這些納米氧化物彌散粒子還可以作為穩(wěn)定的“池子”對輻照后的ODS鐵素體鋼中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行捕獲和釘扎,從而提高材料的抗輻照性能。眾所周知,Cr含量對ODS鐵素體鋼的性能起著重要的作用。一般而言,由于低Cr含量的ODS鐵素體鋼的抗腐蝕性能不夠優(yōu)異,這使得它們在超臨界水堆中的應(yīng)用受到一定限制。然而,如果ODS鐵素體鋼中的Cr含量過高,長時(shí)間服役之后基體內(nèi)部可能會產(chǎn)生大量的富Cr相從而引起材料的時(shí)效脆化。因此,通過實(shí)驗(yàn)研究找到一個(gè)合適的Cr含量值對于服役于超臨界水堆中的ODS鐵素體鋼是至關(guān)重要的。在本研究中,通過機(jī)械合金化和熱等靜壓的方法制備了Cr含量分別為12%、14%、16%、以及18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的四種ODS鐵素體鋼樣品。采用熱加工(鍛造／軋制)的方法提高燒結(jié)后材料的力學(xué)性能,再通過熱處理工藝消除熱加工給材料帶來的殘余應(yīng)力。采用光學(xué)顯微鏡(Optical Microscope, OM)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)、以及透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)等先進(jìn)表征手段對不同Cr含量的ODS鐵素體鋼樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。結(jié)果表明不同Cr含量的ODS鐵素體鋼的晶粒尺寸都呈現(xiàn)出一種雙峰分布的特征。所有樣品的基體中都可以觀察到大量均勻分布的Y-Ti-O型的納米氧化物彌散粒子,這些彌散粒子的尺寸幾乎都在幾個(gè)納米至五十個(gè)納米之間。對不同Cr含量ODS鐵素體鋼樣品的維氏顯微硬度、拉伸性能、沖擊韌性等力學(xué)性能進(jìn)行測試,分析結(jié)果表明Cr含量的變化對于ODS鐵素體鋼的力學(xué)性能的影響并不是非常明顯。此外,我們對不同Cr含量的ODS鐵素體鋼的其它服役性能也進(jìn)行了測試和對比,包括材料在600℃/25 MPa條件下抵抗超臨界水介質(zhì)腐蝕的性能,材料在700℃的長期時(shí)效穩(wěn)定性,以及材料在500℃條件下進(jìn)行雙束離子輻照(1 MeV Kr+ and 15 keV He+)后的顯微組織變化等。最終,根據(jù)結(jié)果對比優(yōu)選出綜合性能較為優(yōu)異的Cr含量為16%的ODS鐵素體鋼作為未來研究和生產(chǎn)的主要材料。在本次研究中除了制備了不同Cr含量的ODS鐵素體鋼樣品之外,我們還嘗試通過機(jī)械合金化(MA)和熱擠壓(Hot Extrusion, HE)的方法制備了一種可以適用于超臨界水堆以及超高溫反應(yīng)堆(Very High Temperature Reactor, VHTR)的新型Hastelloy XR-ODS鎳基合金。相比傳統(tǒng)的Hastelloy XR型鎳基合金而言,經(jīng)過納米氧化物彌散強(qiáng)化之后的Hastelloy XR-ODS鎳基合金在強(qiáng)度方面得到了明顯的提高,但是其塑性卻發(fā)生了嚴(yán)重地下降。通過裝備有能譜分析儀(X-ray Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)的高分辨透射電子顯微鏡(High-Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM)結(jié)合選區(qū)電子衍射分析技術(shù)(Selected Area Electronic Diffraction, SAD)對Hastelloy XR-ODS鎳基合金樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)地研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)造成材料塑性不佳的主要原因是其內(nèi)部存在著大量的尺寸在微米級的晶界第二相析出物、相連化合物、以及非晶態(tài)二氧化硅。
[Abstract]:In this study , it is very important to study the application of ODS ferritic steel in supercritical water reactor . As a result , it can be used as a stable " pond " to prevent dislocation and grain boundary movement in the supercritical water reactor . The microstructure of ODS ferritic steel with different Cr contents was studied systematically by scanning electron microscopy ( SEM ) and transmission electron microscopy ( TEM ) . and amorphous silica .
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG142.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 魏勤;衛(wèi)婷;董師潤;張海林;;超聲波法測量金屬材料的楊氏模量和剪切模量[J];江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年01期

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本文編號：2074935