【摘要】：核電是高效、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的能源。近年來隨著我國用電量不斷增加,核電在我國能源供應(yīng)上已經(jīng)占據(jù)越來越重要的地位。SA508-Ⅲ低合金鋼是一種高強(qiáng)度鋼,以其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能被作為核反應(yīng)堆壓力容器安全端用材。由于核電站壓力容器為壓水堆核電站不可更換的大型關(guān)鍵部件,不僅高溫高壓服役環(huán)境易造成其損傷,而且面臨地震、海嘯等安全隱患,將嚴(yán)重影響核電站的安全運(yùn)行。基于核電站高安全性和高可靠性的運(yùn)行要求,預(yù)測核電材料在服役條件下的壽命具有非常重要的意義。隨著我國核電發(fā)展及核電設(shè)備的國產(chǎn)化,評價核電安全端用材在核電站服役環(huán)境下的斷裂韌性及建立客觀的材料韌性指標(biāo)成為迫在眉睫的要務(wù)。本文以國產(chǎn)SA508-Ⅲ鋼為研究對象,采用J積分的方法系統(tǒng)的研究了模擬壓水堆核電站一回路服役環(huán)境下(氫、應(yīng)變速率和溫度)鋼的斷裂韌性及斷裂行為,借助光學(xué)顯微鏡、掃描電子電鏡和透射電子電鏡探討了SA508-Ⅲ鋼斷裂機(jī)制及氫脆機(jī)理,為核電站運(yùn)營環(huán)境提供安全可靠的理論依據(jù)。研究了鋼的斷裂韌性隨氫含量的變化規(guī)律,以及鋼的斷裂機(jī)理與氫之間的對應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),隨氫含量增加,鋼的斷裂韌性降低。當(dāng)氫含量超過5.60 ppm時,斷裂韌性顯著降低,斷裂方式由純微孔聚集型斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃茰?zhǔn)解理加韌窩復(fù)合型斷裂。當(dāng)氫含量達(dá)到8.70 ppm時,其斷裂韌性降為311.70 kJ/m2,其韌性損失達(dá)31.80%。由于碳化物為氫的強(qiáng)陷阱,在三向應(yīng)力誘導(dǎo)下氫富集于碳化物和基體界面處,氫壓達(dá)到臨界值時,則在此處形成空洞,加速了裂紋擴(kuò)展,從而導(dǎo)致鋼的斷裂韌性降低。本研究得到了SA508-Ⅲ鋼斷裂韌性(JQ, kJ/m2)與氫含量(CH,ppm)之間的定量關(guān)系式,即為：JQ=-88.6expCH/8+560.2。研究了不同應(yīng)變速率下未充氫與充氫SA508-Ⅲ鋼的斷裂韌性變化規(guī)律,以及應(yīng)變速率對氫脆敏感性的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨載荷速率降低,SA508-Ⅲ鋼的斷裂韌性降低,且充氫SA508-Ⅲ鋼斷裂韌性損失和氫脆敏感性均增加。隨載荷速率降低,SA508-Ⅲ鋼主裂紋沿碳化物與基體的界面啟裂和擴(kuò)展時間增加,進(jìn)而生成了更多裂紋,導(dǎo)致鋼的斷裂韌性降低。充氫鋼中的氫能夠跟隨可動位錯遷移并富集在碳化物和基體界面處,使界面處的氫濃度增加、氫壓增強(qiáng),加速了裂紋擴(kuò)展,成為鋼的斷裂韌性損失增加的主要原因。此外,鋼的氫脆敏感性主要取決于氫與位錯的相互作用,當(dāng)應(yīng)變速率低于5.21×10-3s-1時,柯氏氫氣團(tuán)隨可動位錯一同運(yùn)動,位錯可將氫傳遞到碳化物與基體界面處,造成局部氫濃度升高,形成氫致裂紋,裂紋擴(kuò)展進(jìn)入鐵素體基體內(nèi)造成類似準(zhǔn)解理斷裂,氫脆敏感性增加。當(dāng)應(yīng)變速率高于5.21×10-3 s-1時,柯氏氫氣團(tuán)的遷移速率逐漸跟不上位錯的滑移速率,位錯攜帶到碳化物周圍的氫減少,故氫致脆性敏感性減弱。研究了SA508-Ⅲ鋼斷裂韌性隨溫度的變化規(guī)律,探討了溫度對鋼斷裂行為影響及作用機(jī)制。研究表明,SA508-Ⅲ鋼的斷裂韌性隨溫度增加先降低后升高。高于260℃,SA508-Ⅲ鋼在一定應(yīng)變速率下,其內(nèi)部組織演變由動態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)應(yīng)變時效(Dynamic Strain Aging; DSA),DSA的發(fā)生有效提高了位錯密度,減小了位錯胞尺寸,提高了鋼的變形抗力,增強(qiáng)了對裂紋尖端擴(kuò)展的阻礙作用,因此提高了鋼的斷裂韌性。同時在應(yīng)力和溫度的共同作用下,鋼中析出了細(xì)小碳化物,由此顯著提高了鋼的變形抗力,鋼的斷裂韌性增加。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG142.1

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本文編號：2339257