由于“安全”、“清潔”、“持久性”的特點(diǎn),聚變能被認(rèn)為是永久解決世界能源危機(jī)的方案之一。包層是聚變反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)氚燃料增殖、能量轉(zhuǎn)換及輸出的關(guān)鍵部件。在目前國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER設(shè)計(jì)方案中,包層服役溫度約450℃C,等離子體燃耗造成的循環(huán)周次約為20000～50000次,燃耗持續(xù)時(shí)間約500s左右。考慮到地震和運(yùn)行過程中等離子不穩(wěn)定等因素帶來的影響,循環(huán)周期可能會(huì)達(dá)到十萬次,這對(duì)聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的抗高溫疲勞性能提出了極高的要求。中國(guó)低活化馬氏體鋼(CLAM)是中國(guó)ITER實(shí)驗(yàn)包層的首選結(jié)構(gòu)材料,其在高溫循環(huán)載荷作用下的力學(xué)行為,不僅是ITER TBM結(jié)構(gòu)和服役壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是材料通過相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的基本要求之一；同時(shí)理解材料在疲勞過程中的損傷機(jī)理對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化材料的成分與加工工藝,研發(fā)新型聚變堆結(jié)構(gòu)材料具有重要意義。 本論文主要針對(duì)ITER高溫脈沖載荷的服役工況和CLAM鋼認(rèn)證需求,開展CLAM鋼在450℃C和550℃C下的疲勞實(shí)驗(yàn),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了CLAM鋼在循環(huán)載荷作用下的壽命預(yù)測(cè)模型和力學(xué)行為隨時(shí)間變化的本構(gòu)方程。本研究旨在分析溫度、應(yīng)力等因素對(duì)CLAM鋼疲勞壽命及應(yīng)力應(yīng)變等行為的影響機(jī)理,同時(shí)獲得CLAM鋼的高溫疲勞特性,為CLAM鋼認(rèn)證和中國(guó)ITER TBM包層的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 首先,本文研究了應(yīng)力控制模式下CLAM鋼的高周疲勞行為,分析了應(yīng)力循環(huán)加載下疲勞極限與斷裂行為。研究結(jié)果表明循環(huán)周次在105～107時(shí)隨著應(yīng)力幅度的減小CLAM鋼疲勞壽命逐漸升高。450℃C和550℃C下CLAM鋼的條件疲勞極限為275±5MPa和235±5MPa。通過最小二乘法和Basquin方程建立了CLAM鋼疲勞壽命預(yù)測(cè)模型,并分別依據(jù)近似歐文單側(cè)公差極限法和雙側(cè)置信區(qū)間法建立了CLAM鋼的疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線,通過與測(cè)試結(jié)果比較表明近似歐文單側(cè)公差極限法能夠更為安全的預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命。斷口分析表明樣品表面萌生的裂紋向材料基體內(nèi)部擴(kuò)展是材料疲勞失效的主要原因。 其次,本文分析了CLAM鋼在4500C和550℃C下應(yīng)變控制的低周疲勞行為。研究結(jié)果表明,疲勞壽命隨著溫度的升高略微降低,這一現(xiàn)象在低應(yīng)變幅下更為明顯。在應(yīng)變控制過程中,隨著循環(huán)周次的增加,峰值應(yīng)力演化呈現(xiàn)較為明顯的三個(gè)階段：在數(shù)十個(gè)周期內(nèi)峰值應(yīng)力迅速降低,然后軟化速率逐漸趨于穩(wěn)定,直至最后突然失效。彈性模量隨著循環(huán)周次的演化過程表明可以用彈性模量表征材料在循環(huán)載荷作用下的損傷程度。最后通過分析CLAM鋼的微觀結(jié)構(gòu)演化過程,表明位錯(cuò)密度降低和亞晶的融合長(zhǎng)大是材料強(qiáng)度降低的主要原因。 最后以550℃C應(yīng)變幅度為0.4%的疲勞數(shù)據(jù)為例,在考慮等向硬化和隨動(dòng)硬化的基礎(chǔ)上,建立了CLAM鋼的應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)行為隨時(shí)間演化的預(yù)測(cè)模型。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,逐步確定了模型中與溫度相關(guān)的材料常數(shù)。通過比較模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型能夠較好的預(yù)測(cè)CLAM鋼應(yīng)力應(yīng)變行為和峰值應(yīng)力演化過程,為其在ITER聚變堆中服役的安全性評(píng)估奠定了良好的基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL341
【部分圖文】：

應(yīng)是人工能夠?qū)崿F(xiàn)的聚變反應(yīng)之一，圖1-1所示為氖核和l#核發(fā)生聚變?nèi)诤袭a(chǎn)生氦原子核同時(shí)釋放一個(gè)中子的核聚變反應(yīng)。反應(yīng)過程中釋放出17.58MeV的能量，其中14.1MeV的能量被中子帶出【6]。'?核圖1-1l氤聚變反應(yīng)示意圖聚變能有許多潛在吸引力：首先，地球上聚變能資源豐富，海水巾存儲(chǔ)的l(D),約卩丨天然氧的1/6700，如來地球上的j丨I全部)11于聚變反應(yīng)堆，|】1供人類使州上萬年。鋰足生產(chǎn)侃的材料，概在地球上儲(chǔ)量比較豐富，樷略估計(jì)可以滿足幾千年的使用需求從圖1-1中可以看出，聚變反應(yīng)不產(chǎn)生C02等大氣污染物和放射性物質(zhì)，不會(huì)造成環(huán)境的污染。為了實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)

圖1-3日本和歐洲聚變堆結(jié)構(gòu)材料發(fā)展路線圖[3i]

建立了 Eurofer97的疲勞行為本構(gòu)方程，較好的預(yù)測(cè)了材料的疲勞行為及高溫條件下的疲勞￥？命。圖1-11顯示了基于統(tǒng)一炥塑性理論的Eurofer97疲勞預(yù)測(cè)結(jié)果，從圖中可以看出在不同溫度下的預(yù)測(cè)結(jié)果都和測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了較好的一致性。但這種模型需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支持，以確定模型中與材料相關(guān)的性能參量。因此要發(fā)展CLAM鋼的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型仍需要開展大量的疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)。I {>5 ：： 1 (r-T-TTir-j 1 1TTTTTrj 1 1-F82H IllOti ratrlor i、r iwo 之一- im liicuinc；丨()r 1氣\ ^

本文編號(hào)：2822214