【摘要】：聚變能將是人類可持續(xù)發(fā)展的最理想新能源,聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的環(huán)境要求其結(jié)構(gòu)材料必須具有較好的力學性能、抗輻照、耐高濕和耐腐蝕等性能,選擇何種結(jié)構(gòu)材料成為實現(xiàn)核聚變反應(yīng)堆所面臨的關(guān)鍵問題之一。比較發(fā)現(xiàn)低活化鐵素體/馬氏體鋼(reduced-activation ferritic-martensitic, RAFM)J具有較好的綜合性能以及比較成熟的工業(yè)制備基礎(chǔ),是聚變反應(yīng)堆候選結(jié)構(gòu)材料之一。 本論文對RAFM鋼進行了成分優(yōu)化和制備,對其加工和熱處理工藝進行了摸索,通過組織觀察、性能測試和相關(guān)機理分析進行了基礎(chǔ)的研究。為避免RAFM鋼在中子輻射后引發(fā)核嬗變進而引起材料斷裂韌性的降低和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高的現(xiàn)象,設(shè)計和制備了超低碳RAFM鋼,與傳統(tǒng)的RAFM鋼相比,其強度和塑性相當,但是韌性得到了較大幅度的提升,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-80℃,與實驗室煉制的傳統(tǒng)的RAFM(?)相比韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低了40℃,綜合機械性能優(yōu)異,其原因為超低碳的成分設(shè)計較大程度地改善了鋼的塑性和韌性,制備過程中出現(xiàn)了尺寸更細小的TaC析出物,以析出強化的方式保證強度外還能細化奧氏體晶粒從而達到獲得更加細小晶粒,改善超低碳RAFM鋼的綜合機械性能。 采用熱膨脹法與金相觀察相結(jié)合的方法測定了兩種成分體系RAFM鋼的CCT曲線,發(fā)現(xiàn)在較快冷速下組織全為馬氏體,其形貌主要是板條馬氏體,呈現(xiàn)出典型的板條馬氏體組織特征。 利用階梯試樣進行熱軋對RAFM鋼奧氏體的動態(tài)再結(jié)晶行為進行了研究,分析了不同的道次壓下量與軋制溫度對動態(tài)再結(jié)品行為的影響規(guī)律,根據(jù)實驗結(jié)果繪制了RAFM鋼的奧氏體區(qū)熱變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶區(qū)域圖,為RAFM鋼的生產(chǎn)和制備過程中熱軋工藝的制定提供了依據(jù)。 通過雙道次壓縮熱模擬實驗,在Gleeble-3500熱模擬試驗機上究了核聚變反應(yīng)堆首選結(jié)構(gòu)材料低活化鐵素體/馬氏體鋼在高濕熱變形道次間隔時間內(nèi)的靜態(tài)再結(jié)品行為,討論和分析了不同的間隔時間、變形溫度、應(yīng)變速率和變形量等因素對靜態(tài)再結(jié)品行為的影響規(guī)律,采用2%應(yīng)力補償法計算了不同變形條件下的靜態(tài)再結(jié)晶軟化百分數(shù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),計算出j低活化鐵素體/馬氏體鋼靜態(tài)再結(jié)品激活能,建立了其靜態(tài)再結(jié)晶動力學模型,并將靜態(tài)再結(jié)晶動力學模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較,二者相吻合。 對經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的兩種成分體系RAFM鋼用SEM和TEM進行觀察發(fā)現(xiàn),隨著回火溫度的升高,回火組織由最初的回火馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。RAFM鋼在回火過程中隨著溫度的升高將發(fā)生回復和再結(jié)晶。通過對比發(fā)現(xiàn)超低碳RAFM的綜合力學性能最優(yōu),實驗鋼最佳的調(diào)質(zhì)處理工藝為980℃保溫1小時后淬火至室溫,之后在750℃進行回火保溫1小時空冷至室溫。室溫屈服強度為541MPa,抗拉強度為668MPa,伸長率為25%,韌性沖擊功為200J,600℃高溫屈服強度為294MPa,抗拉強度為321MPa,伸長率為29%。 兩種RAFM鋼中存在大量的析出物,析出物主要由M23C6和MC兩大類面心立方結(jié)構(gòu)的第二相粒子組成。由于成分體系的不同低碳RAFM鋼中的析出物主要由150nm左右的M23C6和30～50nm左右的MC(TaC或VC)組成；而超低碳RAFM鋼中的析出物主要由100nm左右的M23C6和15nm左右的MC(TaC)組成。 在原位拉伸實驗過程中,RAFM鋼中的夾雜物在原位拉伸過程中作為微孔形核起始源的形式存在,其中第一類夾雜物在較大的應(yīng)力作用下本身開裂形成微孔,之后與其它的裂紋完成韌性裂紋的“微孔形核—微孔長大—微孔聚合”；第二類夾雜物本身比較堅硬,在外力的作用下不易開裂和破碎,在RAFM鋼原位拉伸過程中,由于位錯塞積引起應(yīng)力集中導致了夾雜物與塑形基體變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生微孔。 超低碳設(shè)計的RAFM韌性良好,在沖擊過程中,缺口處和夾雜物等容易引起應(yīng)力集中。低溫沖擊過程中RAFM發(fā)生解理斷裂,韌性非常差,沖擊試驗時主裂紋附近組織產(chǎn)生強烈的內(nèi)應(yīng)力使微觀組織中夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成裂紋源,成為二次裂紋,幾乎所有在解離區(qū)的二次裂紋在主裂紋尖端形成,主解離裂紋通過這些微裂紋的連通而擴展。
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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】：2015
【分類號】：TG142.1

【參考文獻】

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本文編號：2300679