【摘要】：聚變能被認(rèn)為是人類能源問題的終極解決方案之一,聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料是否能夠長期安全服役是聚變堆能否安全運(yùn)行的重要因素。目前,中國抗輻照低活化馬氏體鋼(CLAM)已經(jīng)被選作ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)中國實(shí)驗(yàn)包層模塊(Test Blanket Module)的首選結(jié)構(gòu)材料。聚變堆包層需要在高溫和載荷耦合作用下長期服役,包層結(jié)構(gòu)材料在服役過程中會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。此外,在包層的加工制造過程中很有可能會引入各種微缺陷,同時在服役過程中也會有微缺陷的產(chǎn)生。微缺陷的存在將會加速蠕變孔洞的形核與長大并會引起包層部件中蠕變微裂紋的產(chǎn)生。在高溫和復(fù)雜載荷的耦合作用下,蠕變微裂紋會逐漸擴(kuò)展,從而可能引起材料的失效,縮短包層部件服役壽命,影響聚變堆包層的安全服役。傳統(tǒng)的高溫部件設(shè)計方法中主要考慮預(yù)防部件的蠕變失效,忽略了蠕變裂紋擴(kuò)展對部件結(jié)構(gòu)完整性的影響。為了確保聚變堆包層部件的安全服役,開展聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料蠕變裂紋擴(kuò)展行為研究與壽命預(yù)測就成為目前急需研究的課題之一。本文根據(jù)聚變堆包層的服役工況,開展了CLAM鋼單軸拉伸蠕變試驗(yàn)和蠕變裂紋擴(kuò)展研究工作,分析了溫度、應(yīng)力和初始載荷等因素對CLAM鋼蠕變及蠕變裂紋擴(kuò)展行為的影響機(jī)理,同時獲得CLAM鋼蠕變裂紋擴(kuò)展速率。首先,開展了5000C、550℃及600℃下初始載荷在3650-6050N范圍內(nèi)的CLAM鋼蠕變裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn),研究了不同實(shí)驗(yàn)條件下的蠕變裂紋擴(kuò)展行為。研究表明,溫度和初始載荷對CLAM鋼蠕變裂紋擴(kuò)展行為有顯著影響,溫度越高、初始載荷越大,蠕變裂紋擴(kuò)展孕育期越短,蠕變裂紋擴(kuò)展速率越小：其中,蠕變裂紋擴(kuò)展孕育期及穩(wěn)態(tài)蠕變裂紋擴(kuò)展速率與初始載荷之間存在著冪律關(guān)系。另外,分析了C*參量、應(yīng)力強(qiáng)度因子K和凈截面應(yīng)力σnet與CLAM鋼蠕變裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)聯(lián)關(guān)系；分析表明C*參量更適合用來關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴(kuò)展速率,擬合得到的蠕變裂紋擴(kuò)展速率與C*參量之間的關(guān)系為：da/dt=3×(C*/1000)0.9。顯微組織分析結(jié)果表明,在試驗(yàn)過程中的高溫及載荷作用下,試樣中會產(chǎn)生明顯的蠕變損傷,主要以蠕變孔洞為主。蠕變裂紋通過與蠕變孔洞的連接而逐漸擴(kuò)展。其次,為了建立CLAM鋼蠕變裂紋擴(kuò)展速率模型,開展了5000C、550℃及600℃下應(yīng)力在170-230MPa范圍內(nèi)的單軸拉伸蠕變試驗(yàn),分析了CLAM鋼的單軸拉伸蠕變規(guī)律。研究結(jié)果表明,溫度越高、應(yīng)力越大,CLAM鋼蠕變壽命越低,穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變速率越大；其中,穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變速率與試驗(yàn)應(yīng)力的關(guān)系符合諾頓冪律方程。利用得到的CLAM鋼蠕變本構(gòu)方程,建立了不同溫度下蠕變裂紋擴(kuò)展速率模型。分析表明,平面應(yīng)變條件下預(yù)測得到的蠕變裂紋擴(kuò)展速率約為平面應(yīng)力條件的預(yù)測得到的50倍。與試驗(yàn)結(jié)果對照表明,平面應(yīng)力狀態(tài)下的NSW模型能夠較好的預(yù)測材料的蠕變裂紋擴(kuò)展行為,并且有一定的保守性。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TL627

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本文編號：2672111