本文關(guān)鍵詞：SCRAM鋼的熱處理工藝優(yōu)化研究

  更多相關(guān)文章： SCRAM鋼 熱處理 微觀組織 力學(xué)性能 蠕變性能 抗輻照性能

【摘要】：低活化鐵素體/馬氏體(Reduced Activation Ferritic/Martensitic,RAFM)鋼因其具有高的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的抗輻照性能,并且與氚增殖劑、冷卻劑等具有良好的兼容性,成為未來核聚變反應(yīng)堆用首選結(jié)構(gòu)材料之一。但現(xiàn)有的低活化鋼經(jīng)過輻照以后會產(chǎn)生輻照腫脹,輻照脆化、硬化等問題,需要尋求一定的方法改善和提升其抗輻照性能以及蠕變性能。本文以本課題組自主研發(fā)的新體系超潔凈低活化馬氏體鋼(Super-clean Reduced Activation Martensitic Steels,簡稱SCRAM鋼)為研究對象,為進一步改善其綜合力學(xué)性能,細化微觀組織并最終提升其抗輻照性能以及高溫蠕變性能,對SCRAM鋼進行了不同的熱處理,研究了熱處理工藝對SCRAM鋼的力學(xué)性能,微觀組織的影響,并獲得了以下有價值的研究成果:通過Thermo-Calc熱力學(xué)計算軟件,從理論上對比了新的9Cr-WVTi N體系與Cr-W-V-Ta體系的低活化馬氏體鋼的熱穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明,Ti,N元素的引入,導(dǎo)致鋼中Ti N,VN的析出,并且其初始析出溫度遠遠高于Ta C和VC,即其熱穩(wěn)定性要分別高于Ta C,VC;適當(dāng)?shù)奶岣逿i和N的含量,將有助于增加Ti N以及VN的熱穩(wěn)定性。同時,熱力學(xué)計算的結(jié)果亦表明,本課題組自主研制的SCRAM鋼中,M23C6相的初始析出溫度在870℃以下,而MX相的初始析出溫度遠遠高于870℃。根據(jù)熱力學(xué)計算的結(jié)果,設(shè)計的兩次淬火一次回火熱處理工藝可以有效的細化馬氏體板條,其平均尺寸由0.51μm降低到0.42μm,得到了顯著的細化。而析出物的平均尺寸有略微的粗化,由傳統(tǒng)工藝下的83nm粗化到86nm。SCRAM鋼的DBTT值由傳統(tǒng)工藝下的-40℃降低到-61℃,通過細化馬氏體板條組織,SCRAM鋼的性能得到了顯著的改善。但是由于該工藝是連續(xù)的兩次淬火,可能造成材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,不適用于工業(yè)化上大工件的熱處理。在1050℃奧氏體化1小時,隨后在870℃保溫1小時再進行淬火處理,該工藝有效的細化了析出物。熱力學(xué)計算的結(jié)果表明,SCRAM鋼中M23C6相的初始析出溫度在870℃以下,在870℃保溫1小時的過程中,M23C6相還未開始在基體中析出,MX相得到充分的析出,基體中C含量降低,導(dǎo)致在隨后的處理過程中M23C6相的尺寸的減小。經(jīng)該工藝處理后,SCRAM-3鋼以及SCRAM-6鋼的析出物的平均尺寸分別由傳統(tǒng)工藝下的80nm,83nm降低到64nm和71nm。但由于高溫區(qū)保溫時間過長,馬氏體板條的尺寸分別由傳統(tǒng)工藝下的0.44μm,0.51μm粗化到0.86μm和0.72μm。DBTT值則分別由傳統(tǒng)工藝處理后的-23℃,-41℃降低到-40℃和-43℃。該結(jié)果表明,細化析出物可以提高材料的力學(xué)性能,并且能夠彌補馬氏體板條粗化造成的材料性能的降低。通過將上述兩種工藝有機的結(jié)合,設(shè)計出了一種具有中間隨爐冷卻過程的兩次淬火兩次回火的熱處理工藝,并以傳統(tǒng)工藝以及兩次淬火兩次回火工藝作為對比工藝。傳統(tǒng)工藝處理后,SCRAM-3鋼的馬氏體板條的平均尺寸為0.75μm,析出物的平均尺寸為94nm,而兩次淬火兩次回火后其尺寸分別為0.61μm,70nm,經(jīng)具有中間隨爐冷卻過程的兩次淬火兩次回火工藝處理后其尺寸分別為0.66μm,60nm。DBTT測試的結(jié)果表明,傳統(tǒng)工藝處理后,SCRAM-3鋼的DBTT為-24℃,而經(jīng)過兩次淬火兩次回火熱處理工藝處理后其DBTT為-40℃,經(jīng)最優(yōu)化的熱處理工藝處理后,其DBTT為-43℃。可見,細化析出物以及板條組織可以更為有效的降低DBTT值,并且析出物的細化可以彌補板條粗化造成的材料性能的下降。對經(jīng)過不同熱處理工藝處理的SCRAM-3鋼進行He離子輻照,并采用薄片沖擊試樣評價其輻照硬化的程度。傳統(tǒng)工藝處理后SCRAM-3鋼在輻照后其沖擊硬化率為-18.86%,而經(jīng)過兩次淬火兩次回火處理后其硬化率為-12.74%,經(jīng)最優(yōu)熱處理工藝處理后其硬化率為-7.92%,可見,通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚰毣疭CRAM鋼的微觀組織,增加其晶界/相界面可以有效的提升其抗輻照性能。通過在550℃下,應(yīng)力為270MPa的蠕變實驗結(jié)果可以表明,適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚰毣龀鑫?增加SCRAM鋼的位錯密度可以提升其蠕變性能,最優(yōu)熱處理工藝處理后,蠕變實驗后其延伸率僅為0.8%,而在傳統(tǒng)工藝下以及兩次淬火兩次回火處理后,其延伸率分別為2.3%和1.6%。
【關(guān)鍵詞】：SCRAM鋼 熱處理 微觀組織 力學(xué)性能 蠕變性能 抗輻照性能
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG161
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 課題研究背景12-14
• 1.2 RAFM鋼的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 RAFM鋼服役性能和組織演變規(guī)律15-22
• 1.4 改善RAFM鋼的抗輻照性能的措施22-24
• 1.5 選題的目的、意義、及技術(shù)路線24-26
• 2 實驗材料、流程、設(shè)備26-31
• 2.1 實驗材料與實驗儀器26-29
• 2.2 實驗內(nèi)容及流程29-31
• 3 Thermo-Calc熱力學(xué)計算31-38
• 3.1 CR-W-V-TI-N與CR-W-V-TA體系的RAFM鋼的對比31-34
• 3.2 CR-W-V-TI-N體系的RAFM鋼的主要析出物的析出行為34-37
• 3.3 本章小結(jié)37-38
• 4.細化馬氏體板條的熱處理工藝優(yōu)化研究38-48
• 4.1 實驗材料與方法38-40
• 4.2 實驗結(jié)果及分析40-46
• 4.3 本章小結(jié)46-48
• 5. 細化SCRAM鋼析出物的熱處理工藝優(yōu)化研究48-58
• 5.1 實驗材料與方法48-50
• 5.2 實驗結(jié)果及分析50-56
• 5.3 本章小結(jié)56-58
• 6. 綜合細化SCRAM鋼的微觀組織的優(yōu)化研究58-68
• 6.1 實驗材料與方法58-60
• 6.2 實驗結(jié)果及分析60-67
• 6.3 本章小結(jié)67-68
• 7. 熱處理工藝對SCRAM抗輻照性能以及蠕變性能的影響68-80
• 7.1 實驗材料與方法68-71
• 7.2 熱處理工藝對SCRAM鋼的抗輻照性能的影響71-73
• 7.3 熱處理工藝對SCRAM鋼的蠕變性能的影響73-78
• 7.4 本章小結(jié)78-80
• 8 全文總結(jié)80-82
• 8.1 總結(jié)80-81
• 8.2 進一步工作81-82
• 致謝82-83
• 參考文獻83-90
• 附錄1 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文90-91
• 附錄2 攻讀碩士學(xué)位期間獲得的獎勵91

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