奥氏体不锈钢辐照脆化预测模型建立及验证

奥氏体不锈钢因具有较高的断裂韧性,是反应堆内重要的结构材料。在长期服役过程中,奥氏体不锈钢会遭受中子辐照引起微观结构变化,从而导致断裂韧性下降,影响其服役行为。在反应堆延寿时需考虑奥氏体不锈钢的辐照脆化行为,即断裂韧性降低行为。辐照后断裂韧性实验数据较少,而辐照后拉伸性能实验数据较多,根据断裂韧性与拉伸性能的关系,可以用辐照后拉伸性能数据实现对辐照后断裂韧性的行为预测。为预测奥氏体不锈钢辐照脆化性能,首先根据辐照硬化和辐照后微观结构信息关联模型,利用辐照后微观结构信息实现对辐照后拉伸屈服应力的预测;再根据辐照硬化和断裂韧性的关联模型,利用辐照前的均匀延伸率、屈服应力/流体应力和断裂韧性,结合拟合获得的辐照后流体应力、均匀延伸率,实现奥氏体不锈钢辐照后断裂韧性预测,即实现对奥氏体不锈钢辐照脆化的预测。通过以上步骤,可基于辐照后微观结构信息直接预测奥氏体不锈钢辐照后的断裂韧性。利用文献中获得的奥氏体不锈钢辐照后微观结构实验数据对辐照后断裂韧性进行预测,断裂韧性预测值与文献中报道的奥氏体不锈钢断裂韧性实验值基本吻合,验证了模型的有效性。研究表明,辐照后出现的位错环是引起奥氏体不锈钢辐照脆化的主要微观结构。未来可根据实验测得或模拟计算获得的辐照后微观结构信息,实现对奥氏体不锈钢辐照脆化的预测,为反应堆延寿提供理论指导。

Fe-C-Mn-Si-Al双相钢两相区加热过程中的奥氏体相变行为研究

采用Dictra软件模拟与实验验证相结合,研究了不同加热条件下铁素体+渗碳体向奥氏体的相变过程,重点分析了渗碳体溶解规律及其对奥氏体相变动力学的影响规律,借助场发射电子探针对不同加热路径下的铁素体及马氏体组织形貌及元素分布进行观测,使用透射电镜对渗碳体和残余奥氏体进行了表征。结果表明,慢速加热至740℃长时间等温与加热至780℃较短时间等温对比发现,虽然渗碳体刚溶解完全时的奥氏体分数相差不大,但在渗碳体溶解的过程中,奥氏体相变的方式不尽相同。在慢速加热条件下,铁素体晶界处为奥氏体优先形核地点;快速加热条件下,由于形核驱动力提高,铁素体晶粒内部的渗碳体处同样可以形核。740℃等温结合快速加热,获得了马氏体与残余奥氏体的“壳-核”组织结构。

焊接方法对奥氏体不锈钢焊接接头低温冲击性能的影响

为了研究奥氏体不锈钢焊接接头的低温冲击性能对低温压力容器的安全性影响,本文通过-196℃的低温冲击试验,对比研究了钨极气体保护焊(GTAW)、熔化极气体保护电弧焊(GMAW)、埋弧焊(SAW)3种焊接方法对S30408和S31608两种奥氏体不锈钢焊接接头低温冲击性能的影响。对于S30408焊接接头,热影响区的低温冲击性能小于母材与焊缝区,成为薄弱位置;3种焊接方法中,GTAW获得的焊接接头在热影响区的冲击性能处于最优水平。对于S31608焊接接头的低温冲击性能,焊缝、热影响区与母材的差异较小;3种焊接方法中,SAW获得的焊接接头在冲击吸收能量上与母材结果相近,能够获得焊接接头较好的综合冲击性能。通过对比不同焊接工艺下焊接接头断口形貌特征表明,焊接接头不同区域冲击断口形貌特征与低温冲击性能的结果相吻合。本文研究工作对于奥氏体不锈钢低温压力容器焊接工艺的选择具有参考意义。

HR3C奥氏体耐热钢晶界蠕变损伤的电子背散射衍射分析

对不同条件下的HR3C奥氏体耐热钢蠕变试样进行性能测试和微观结构观察,研究奥氏体耐热不锈钢蠕变沿晶破坏行为和损伤特征。电子背散射衍射(EBSD)分析结果表明,不同蠕变速度下材料的晶粒尺寸基本不变,未产生择优取向,但高蠕变速度条件下部分孪晶界演变成一般晶界,而低蠕变速度下原始孪晶结构基本保持不变。EBSD分析结果清楚地反映了微观蠕变应变的不均匀性。沿晶微裂纹和蠕变空洞的产生和扩展是最显著的损伤特征,这些损伤现象与不同蠕变速度下的蠕变机制及晶界性质密切相关。

真空扩散对奥氏体灰铸铁渗硼层组织与性能影响的研究

为了改善奥氏体灰铸铁渗硼层厚度不足和脆性过大的问题,研究了渗硼处理和渗硼/真空扩散复合处理对奥氏体灰铸铁表面改性层摩擦磨损性能的影响和影响机理。利用光学显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、电子探针等设备对单一处理和复合处理试样的渗层进行了金相组织、元素分布、物相组成、表面硬度、截面硬度以及磨痕分析。结果表明:真空扩散对渗硼层有着增厚的作用,能够有效的将脆性较大的FeB相转化为脆性相对较小Fe2B相,改善渗硼层的耐磨性,但会使得渗层的表面硬度略微降低,渗层中石墨的粗化现象更为加重。

固溶处理对新型全奥氏体高锰低温钢微观组织、力学性能及摩擦性能的影响

针对新型奥氏体高锰低温钢在LNG (Liquefied natural gas)储罐应用中的磨损问题,本文中研究了不同固溶处理温度对微观组织、力学性能和耐磨性能影响以及三者之间的关联性.将25Mn高锰钢分别在950、1 000、1 050以及1 100℃下固溶处理0.5 h,并采用光学显微镜、白光干涉仪、扫描电子显微镜及能谱仪对试样的微观组织、磨损轮廓和磨痕形貌进行了表征.结果表明:随着固溶处理温度的升高,高锰钢的表面硬度逐渐下降,1 100℃固溶处理后钢材硬度降到最低,约为261 HV.另外,钢材的抗拉强度随固溶温度升高先增大后减小,其中在1 000℃下展现出最优的抗拉强度、屈服强度及应变硬化速率.在摩擦性能测试结果中可以看出,高锰钢表面平均摩擦系数随着固溶处理温度先增大后减小再增大,在1 000℃时因发生氧化摩擦而降到最低,约为0.39,磨损率为0.49‰,表现了最优的耐磨性能.这主要是由于1 000℃热处理后的高锰钢磨痕表面密布颗粒均匀的碳化物,导致磨损后的硬度增大近50.6%,磨损机理从颗粒磨损与疲劳磨损结合转变为黏着磨损为主,颗粒磨损为辅.

QN1803奥氏体不锈钢温热本构模型构建

基于QN1803奥氏体不锈钢在塑性变形过程中存在的马氏体相变现象,提出采用基于热激活位错运动理论的物理基Zerilli-Armstrong(Z-A)模型,构建了其温热成形时的修正本构模型。采用Gleeble-3800热模拟试验机,对QN1803奥氏体不锈钢在温度为25~200℃、应变速率为0.001~0.1 s^(-1)的变形条件下进行了温热拉伸试验,基于试验结果分析了QN1803奥氏体不锈钢的温热流变行为,构建了QN1803奥氏体不锈钢在温热成形条件下的修正Z-A本构模型,并对模型精度进行了评估。结果表明,在25~100℃范围内,随着应变速率的增加,拉伸试样中的马氏体含量迅速减少。在各应变速率下,随着温度的升高,马氏体含量也迅速减少。采用相关系数R和平均绝对相对误差E AR量化了本构模型的精确度,修正的Z-A本构模型的R和E AR的值分别为0.998和1.225%,能较好地描述QN1803奥氏体不锈钢的温热流变行为。

奥氏体不锈钢薄板激光焊表面张力驱动熔池形成的数值模拟分析

为探究奥氏体不锈钢薄板激光焊接过程中表面张力对熔池形状、熔池流速、熔池静压的影响,以期优化焊接工艺并提高焊接质量。基于数值模拟分析方法,建立了移动旋转高斯曲面体热源模型,通过改变Marangoni对流系数来模拟不同表面张力条件,分析其对熔池形成过程、熔池形状、流速及熔池内静压力的影响。模拟结果表明,表面张力是影响熔池形态和内部静压力的关键因素,表面张力指向熔池内部,驱动熔池向中心汇聚,从而促进熔池的形成;表面张力的大小与熔池峰值温度、熔深、深宽比呈负相关,与峰值流速、熔宽、熔池内部静压力呈正相关;铜衬底的加入显著增大了过冷度,加速了熔池的冷却,有助于避开奥氏体不锈钢的敏化温度区间。

一种2Cr13原奥氏体晶界显示方法

本文介绍了一种通过预制金相检验平台显示2Cr13原奥氏体晶界的方法。根据调质处理过程中产生的氧化层的自身特征,通过预制金相检验平台和适当的金相制样方法,获得了清晰的2Cr13原奥氏体晶界,为晶粒度检验提供了图像基础。

汽车用低密度高强度Fe-Al系钢的奥氏体化工艺研究

对直径为25 mm的低密度高强度Fe-2.0Mn-4.7Al-0.41C钢试棒分别在800℃、830℃、860℃、890℃和920℃保温120 min奥氏体化后水淬以及在860℃分别保温10~240 min奥氏体化后水淬.检测了不同温度保温不同时间奥氏体化随后水淬的试棒的显微组织及其显微硬度和维氏硬度,以确定Fe-2.0Mn-4.7Al-0.41C钢的最合适的奥氏体化工艺.结果表明:在奥氏体化120 min的情况下,随着奥氏体化温度从800℃升高至920℃,钢的奥氏体化逐渐完全,860℃保温120 min的奥氏体化效果最好,硬度为270 HV1;在860℃保温10~240 min奥氏体化的情况下,随着保温时间的延长,钢的奥氏体化逐渐完全,但奥氏体化时间超过180 min时,钢的奥氏体晶粒发生聚集长大,硬度下降;Fe-2.0Mn-4.7Al-0.41C钢最合适的奥氏体化工艺为860℃保温180 min.

Al含量对齿轮钢20CrMo奥氏体晶粒度的影响

研究了Al含量对齿轮钢20CrMo奥氏体晶粒度的影响。研究表明,当成品Al含量在0.015%~0.020%时,淬火奥氏体晶粒度出现混晶,渗碳奥氏体晶粒度不混晶;当成品Al含量≮0.020%时,淬火和渗碳奥氏体晶粒度均不混晶。因此为了避免齿轮钢20CrMo淬火奥氏体晶粒度出现混晶,必须保证钢中成品Al含量≮0.020%。为了满足这一要求,炼钢过程熔炼成分Al含量最好控制在0.030%~0.050%。

耐老化马氏体时效不锈钢纳米析出相和逆变奥氏体调控研究进展

马氏体时效不锈钢通过中温时效可析出高数密度超细纳米级析出相,使其获得高强度和一定的韧性。但是,当马氏体时效不锈钢在中低温下长期服役时,由于富Cu相、NiAl相等析出强化相的粗化及Fe-Cr基体调幅分解形成脆性富Cr相等,其延展性和冲击性能大幅降低,出现明显的热老化脆化问题,给服役安全性带来隐患。通过适当降低铬含量和析出元素含量、提高镍含量可有效抑制析出强化相的粗化及脆性相的析出。若进一步通过成分设计和热处理调控获得适量的逆变奥氏体,可望有效改善其热老化脆化问题。本文介绍了马氏体时效不锈钢的成分设计原则、析出相特点及其热稳定性对热老化脆化的影响,综述了有利于提高组织热老化稳定性的马氏体时效不锈钢中纳米析出强化相和逆变奥氏体的调控方法,为新型耐老化马氏体时效不锈钢的成分设计和制备提供参考。

Al含量对含铝奥氏体不锈钢在高温超临界二氧化碳中均匀腐蚀性能的影响研究

为进一步提升奥氏体不锈钢作为超临界二氧化碳核反应堆候选包壳材料的耐腐蚀性能,对比研究了3种不同Al含量的含铝奥氏体不锈钢及不含Al基材在650℃/20 MPa的超临界二氧化碳环境中的均匀腐蚀行为。结果表明,材料的腐蚀增重随Al含量增加而降低,不同Al含量材料的腐蚀增重均近似服从抛物线生长规律。Al含量低于1.5wt%时,材料表面生成双层富Fe氧化膜,保护性差,渗碳层厚度可达约12μm;Al含量高于2.5wt%时,材料表面生成保护性氧化膜,外层富Cr、内层富Al,氧化膜及基体中仍存在渗碳行为,渗碳层厚度减小至约6μm。造成差异的原因是较高Al含量能有效促进保护性富Al氧化膜的形成,抑制Fe的向外扩散和C的向内扩散,进而提升材料的耐氧化和渗碳属性。

高锰奥氏体低温钢发展现状、成分设计及热处理焊接工艺分析

以价格低廉的Mn替代价格较为昂贵的Ni,研发新型无Ni低温钢,已成为液化天然气(LNG)储罐用钢当前研究的新热点。本文依次介绍低温钢的概念和特点,以及高锰奥氏体低温钢国内外的发展现状,并详细列举了国家与团体标准中关于高锰奥氏体低温钢成分及性能的要求。综合分析不同元素对高锰奥氏体低温钢力学性能的影响,表明Fe-24Mn-0.45C-3Cr-0.5Cu系高锰奥氏体低温钢综合性能优异,可作为高锰奥氏体低温钢成分体系优化设计参考依据。研究表明,适当热处理可有效提升高锰钢低温韧性,而采用保护金属电弧焊后的焊缝低温韧性要优于埋弧焊,尽管两者屈服强度和抗拉强度无较大差别。

EH47止裂钢过冷奥氏体等温相变行为

采用高分辨热膨胀相变仪研究了EH47止裂钢过冷奥氏体等温冷却条件下的相变行为,利用扫描电镜(SEM)对试验钢在不同相变条件下的微观组织特征进行表征,基于获得的膨胀量曲线变化规律及微观组织特征,讨论了试验钢在不同等温相变条件下过冷奥氏体的演变规律。结果表明:在40℃/s冷却速率下,试验钢的相变开始温度为628~636℃;当等温相变温度介于630~570℃时,试验钢过冷奥氏体在等温转变过程中出现相变不完全现象;当等温温度为600和570℃时,试验钢的相变产物为由针状铁素体(AF)、贝氏体铁素体(BF)、粒状贝氏体(GB)及马氏体(M)组成的复相组织;当等温温度为540、510和480℃时,试验钢相变产物为由AF、贝氏体(B)及GB组成的复相组织,M消失。对于试验用EH47止裂钢而言,为了获得由AF、BF及GB构成的复相组织,需保证等温温度介于540~480℃,等温时间不少于10 min,以避免相变产物中出现M等组织。

低温液体氧氮化对奥氏体不锈钢磨损行为的影响

[目的]奥氏体不锈钢被广泛用于制造各种航空电子装备零部件,但其硬度和耐磨性欠佳。[方法]采用低温液体氧氮化技术对304奥氏体不锈钢进行表面改性处理。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、维氏硬度计等分析了所得复合改性层的微观组织和截面显微硬度分布,通过摩擦磨损试验探究了表面改性层的耐磨性。[结果]低温液体氧氮化表面改性层由外侧致密的Fe_(3)O_(4)相和内侧富氮S相构成。S相是含氮过饱和固溶体,含有大量位错、层错和孪晶,因此硬度较高。载荷和温度会影响不锈钢样品的磨损行为,温度升高和载荷增大都会使304奥氏体不锈钢样品和低温液体氧氮化样品的平均摩擦因数轻微下降,磨损体积损失增大。不过低温液体氧氮化处理能够缩短304奥氏体不锈钢样品初始磨损阶段的持续时间,使其在载荷10 N、温度200℃条件下的最大磨损体积损失由1.086 mm^(3)降至0.144 mm^(3)。[结论]低温液体氧氮化处理能够显著提高304奥氏体不锈钢的耐磨性。

15-15Ti奥氏体不锈钢热老化小尺寸试样单轴拉伸行为的GTN微观损伤模型研究

通过加速热老化试验模拟了15-15Ti奥氏体不锈钢的辐照效应,构建了Ramberg-Osgood力学本构模型和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)微观损伤模型。结合有限元方法,探讨了热老化不同时间的15-15Ti奥氏体不锈钢小尺寸试样在不同温度拉伸试验过程中的应力-应变响应行为和损伤断裂过程。结果表明:热老化小尺寸试样中有少量碳化物析出和大量σ相形成,导致其抗拉强度和屈服强度显著下降;未热老化试样的拉伸断口中有大量韧窝,为韧性断裂,而热老化试样的拉伸断口中韧窝数量明显减少,析出相周围有撕裂棱,为脆性断裂;热老化试样标距段的应力集中和颈缩均延迟发生;热老化试样的断裂应变明显小于未热老化试样;热老化能促使小尺寸试样中孔洞的聚集和增多,从而加速失效。

Z2CND18.12N奥氏体不锈钢低周疲劳损伤的EBSD分析

针对核电管道用Z2CND18.12N奥氏体不锈钢的低周疲劳损伤,研究电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)采集与后处理参数对局域取向差(local misorientation,ML)的影响,基于优选参数探讨特征取向晶粒的损伤规律。结果表明:测试步长、取向差平均范围(filter)及像素合并参数(binning)均影响ML测试结果,综合考虑晶粒尺寸、测试精度和效率等因素,优选确定binning 2×2,filter 11×11,测试步长为2μm或5μm。选取损伤程度不同的两个区域,〈111〉取向晶粒ΔM_(L)的峰值和平均值变化均高于〈101〉和〈001〉取向,〈101〉取向ΔM_(L)数值最小;同时,ML在小晶粒特别是晶界及交汇处数值较大。结合晶粒尺寸、晶界对变形分布的不均匀性进行了讨论。结果证实ML可以有效评价Z2CND18.12N钢的变形损伤,为发展基于多物理参量的材料以及结构损伤评价技术提供了参考和借鉴。

含铝强化奥氏体钢在550℃液态铅铋中的腐蚀行为

先进铅冷快堆和加速器驱动次临界系统商业化的关键材料问题是结构材料与铅基冷却剂之间的相容性问题,结构钢材料需要在高温液态铅铋共晶中具有优异的抗腐蚀能力.含铝强化奥氏体钢(alumina-forming austenite steel,AFA钢)因其表面可以形成Al_(2)O_(3)膜而在极端环境中具有良好的耐蚀性能.本文研究了降低Ni元素成分和高温预氧化对AFA钢耐铅铋腐蚀性能的影响,利用扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪、X射线衍射技术,对AFA钢在550℃液态铅铋饱和溶氧条件下腐蚀600 h的氧化层形貌及结构进行表征.结果表明:降低合金中Ni含量和高温预氧化处理都会促进样品表面形成保护性Al_(2)O_(3)氧化膜,进而降低腐蚀层厚度,提升材料耐铅铋腐蚀性能.

LPBF增材制造纳米颗粒增强奥氏体不锈钢的进展

激光粉末床熔融技术(LPBF)增材制造的奥氏体不锈钢因良好的可打印性和力学性能具有很好的应用前景,但还存在一些问题限制其工业应用,添加纳米增强相是调控其性能的有效策略之一。综述了纳米颗粒增强LPBF奥氏体不锈钢的研究进展;讨论了纳米颗粒对致密度、微观结构和力学性能的影响,并分析其强化机理。纳米颗粒的加入使复合材料孔隙率增加,致密度下降;胞状组织晶粒细化,且具有较低的各向异性;添加了增强相的奥氏体不锈钢在强度显著提高的同时还保持良好的延展性,主要归因于晶粒细化、位错强化、Orowan强化以及载荷传递强化的综合效应。最后展望了LPBF增材制造纳米颗粒增强奥氏体不锈钢在未来需要进一步探索的研究方向。