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。

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。

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。

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。

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。

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。

新型低铬含铝奥氏体不锈钢在超临界水中的腐蚀行为研究

基于超临界水冷堆对结构材料的需求,研究了一种低铬含铝奥氏体不锈钢(AFAs)在600℃、25 MPa的超临界水(SCW)中的均匀腐蚀行为。采用扫描电镜、能谱仪、电子背散射衍射等技术分析了氧化膜的形貌、结构和化学成分。结果表明,低铬AFAs在SCW中腐蚀动力学符合抛物线规律。Al、Cr含量较低,不足以维持独立的氧化铝膜的形成,而是形成外层为磁铁矿、内层为Cr-Al混合氧化物的双层氧化膜结构。这种氧化膜的保护性较差,对低铬AFAs长期腐蚀不利。本研究揭示了低铬AFAs在SCW中的腐蚀机理,并指出充足的Cr、Al含量是材料在SCW中维持耐腐蚀性的基础。本研究可为超临界水冷堆结构材料选用及AFAs研发提供数据支持。

V对S30403奥氏体不锈钢微观组织和高温力学性能的影响

研究了3种不同V含量(0 mass%、0.097 mass%和0.19 mass%)的S30403奥氏体不锈钢在500~900℃高温下的拉伸行为。结果表明:在500~900℃范围内,3种实验钢的抗拉强度都随着拉伸温度的升高而降低。V含量为0.097 mass%的实验钢在600、700和800℃的极限抗拉强度是3种钢中最高的,分别为362.9、271.4和156.1 MPa,这是不同温度下动态应变时效、动态再结晶和析出强化的协同作用的结果。含V钢在500~900℃范围内拉伸后的断面收缩率高于不含V钢,当V含量为0.19 mass%时,实验钢的断面收缩率最高,这是由于基体中固溶的V元素促进了实验钢的动态再结晶。

超低温热疲劳对Z2CND18.12奥氏体不锈钢显微组织与力学性能的影响

核电厂低低水位阀门维修中经常采用冰塞封堵实现一段管道的封闭隔离,为研究冰堵作业中冷冻→解冻→加热过程对一回路管材Z2CND18.12奥氏体不锈钢的显微组织与力学性能的影响,采用实验模拟方法开展了20个循环周次的超低温热疲劳(-196℃→0℃→350℃→室温)实验。通过金相、X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等方法设备表征材料经过不同循环周次的显微组织变化;通过室温、高温拉伸、室温冲击等测试方法获得试样宏观力学性能变化。研究结果表明:Z2CND18.12奥氏体不锈钢管材在20个循环周次的超低温热疲劳后,仍然保持了0周次试样(原始样品)的强度、塑性和韧性;显微组织中未发生相变和沉淀相析出,仅位错密度增加,晶粒尺寸略微减小。综上可知超低温热疲劳后Z2CND18.12奥氏体不锈钢管材显微结构稳定、力学性能良好,能够抵抗深冷热循环的反复作用。

奥氏体不锈钢中应变诱导α′-马氏体作为氢扩散通道的研究

研究了304和316L奥氏体不锈钢(ASS)的组织演变和氢脆行为。用热脱附光谱仪测定了304和316L ASS的氢脱附速率和氢含量。结果表明,与固溶处理的304 ASS相比,冷轧样品中产生了应变诱导α′-马氏体,氢含量增加,氢脆敏感性增加;然而,316L ASS冷轧后产生极少量α′-马氏体,氢含量较少,氢脆敏感性很低。4个样品在充氢前的断裂均为韧性断裂,冷轧316L ASS在充氢后的断裂为准解理和解理断裂,而冷轧304 ASS在充氢后的断裂为晶间断裂。确定了应变诱导α′-马氏体在氢扩散和氢脆机制中的作用。

钠冷快堆堆内构件用奥氏体不锈钢无缝管的开发

采用真空感应+电渣重熔+均质化热处理+锻造+热挤压+冷轧工艺实现了钠冷快堆堆内构件用TP316H不锈钢无缝管的国产化,并检验了产品表面质量及尺寸、化学成分、金相组织、室温-650℃的拉伸性能、室温冲击及硬度、高温持久性能等。结果表明:该TP316H不锈钢无缝管表面质量良好,尺寸精度高;化学成分完全可控,纵向平均晶粒度约为5.5级,非金属夹杂物级别极低,铁素体含量为0,钢质纯净;室温及高温力学性能优异,耐晶间腐蚀性能优良,完全满足钠冷快堆堆内构件的工况运行要求。

03Cr19Mn12Ni3CuN节镍型奥氏体不锈钢热变形行为与组织演变

对03Cr19Mn12Ni3CuN不锈钢(BN3E钢)进行单道次热压缩试验,研究其在温度范围950~1200℃、应变速率为0.1~50 s^(-1)下的热变形行为。根据试验数据计算建立了BN3E钢的流变应力本构关系及热加工图,同时分析了热变形过程中的微观组织变化。结果表明:BN3E钢热变形激活能为302.92 kJ/mol;低应变速率下以动态回复软化机制为主,高应变速率下以动态再结晶软化机制为主;BN3E钢在1125~1200℃温度区间和0.1~1 s^(-1)应变速率区间热加工性能最优。

冷轧变形对0Cr18Ni9奥氏体不锈钢组织与力学性能的影响

采用OM、SEM、XRD、维氏硬度计、万能试验机等研究了不同变形量冷轧对热轧态0Cr18Ni9奥氏体不锈钢组织与力学性能的影响。结果表明:随着冷轧变形量的增加,0Cr18Ni9不锈钢晶粒变形越来越明显,晶界处位错塞积不断加剧,晶界越来越模糊,组织中越来越多的奥氏体转变为马氏体。随着冷轧变形量的增加,0Cr18Ni9不锈钢的硬度、抗拉强度、屈服强度均逐渐升高,伸长率逐渐下降。冷轧变形量36%的0Cr18Ni9不锈钢的硬度、抗拉强度、屈服强度均达到最大值,分别为432.3 HV、1283.1MPa、1195.2 MPa。

经济型高氮奥氏体不锈钢研究进展

介绍了一种具有高强度、高耐蚀与高经济性等特点的新型资源节约型高氮奥氏体不锈钢,阐述了高氮奥氏体系列不锈钢在组织、力学性能、耐蚀性及可焊接性等方面的性能优势、机理和研究进展。结果表明,高氮奥氏体系列不锈钢具有较高的强度、优良的耐局部腐蚀性能和良好的焊接性,同时以低成本的锰、氮代替昂贵的镍、钼可以大大降低生产成本,具有广泛的市场应用前景。建议根据具体应用场景及时优化焊接工艺和焊接填充材料,以确保高氮奥氏体不锈钢的长期可靠性和安全性。

奥氏体不锈钢材料劣化快速评价技术

对不同状态下304不锈钢的里氏硬度分布、超声回波信号、显微组织等进行研究,阐明了里氏硬度离散率、超声波频谱分布等指标与材料劣化状态之间的关系,并运用D-S证据理论将多指标信息融合后,对奥氏体不锈钢材料进行评价。结果表明:正常固溶处理的304不锈钢的硬度离散率小于1.5%,而当材料劣化时,其硬度离散率会显著增大,且超声回波信号的频谱能量分布特征也存在显著变化;采用D-S证据理论对里氏硬度离散率、超声回波的低频能量下降比和高频能量下降比3个指标进行融合,可有效解决评价指标之间的相互冲突问题,显著提高奥氏体不锈钢现场快速评价结果的置信度。

核电厂一回路主管道铸造奥氏体不锈钢热老化管理现状与展望

在核电厂老化管理中,一回路主管道铸造奥氏体不锈钢母材与焊缝的结构完整性对于核电厂的安全运行至关重要。主管道在运行工况下面临热老化问题,需要采取有效的管理手段。本文综合介绍了目前主管道热老化问题的国际及国内工程管理现状,总结了主管道在实际管理过程中的难点与不足,结合无损检测手段和研究现状,提出了未来的关注方向。通过对母材和焊缝的热老化评估与检查实现有效管理,为核电厂主管道的安全服役提供有力支撑。

奥氏体不锈钢管环焊缝超声相控阵检测分析讨论

本文通过分析奥氏体不锈钢晶粒粗大对超声检测的影响,结合超声衰减的特性,在NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》和NB/T 47013.15—2021《承压设备无损检测第15部分:相控阵超声检测》标准下设计了两个对比实验。通过两次超声检测对比实验和超声检测-射线检测对比实验,验证了相控阵超声检测相较于常规超声检测在不锈钢管环焊缝检测中更可靠、更准确。