Si含量对9%Cr铁素体马氏体钢微观结构和力学性能的影响

铁素体马氏体(F/M)钢是铅冷快堆堆芯的主要候选材料之一,提高Si含量可提高其抗腐蚀性能,但影响其微观结构和力学性能。为研发兼顾力学性能和抗腐蚀性能的高Si含量F/M钢,本文对Si含量(质量分数为0.34%、0.61%、0.80%、0.98%和1.20%)对9%Cr F/M钢微观结构和力学性能的影响进行了研究。结果显示,室温下通过正火(1050℃,0.5 h,空冷)+回火(760℃,1.5 h,空冷)热处理制备的F/M钢均为全马氏体组织。钢的屈服强度和抗拉强度均随Si含量的增加而增加。Si含量对钢的组织及冲击性能的影响可分为两个阶段,当F/M钢中Si含量为0.34%~0.80%时,其组织、冲击性能变化很小;Si含量为0.98%~1.20%时,F/M钢中的第二相尺寸、数量增加,沿马氏体板条界面析出少量的Laves相,F/M钢的冲击韧性降低。本研究9%Cr F/M钢中Si元素的最优添加量应低于0.8%,使钢在保持较高强度的同时兼具良好的韧性。

Si元素对11.5CrMoxSi铁素体马氏体钢第二相组织演变的影响

铁素体马氏体钢(FM钢)是高性能快堆燃料包壳的候选材料。设计了Si含量分别为0.6%、0.9%、1.2%和1.5%的11.5CrMoXSi铁素体马氏体钢,研究了Si元素在老化过程中对铁素体马氏体钢第二相组织的影响。结果表明,Si含量影响组织中M23C6和Laves相的数量和分布,进而影响材料的力学性能。Si含量为0.6%时,M23C6碳化物倾向于在晶粒内弥散析出,对材料基体的强度有很好的提升,但随着老化进行,M23C6互相吞并长大,逐渐失去弥散强化作用;当Si含量达到1.5%时,M23C6相倾向于在晶界处分布,随着老化进行其数量和分布保持相对稳定。此外,Si元素会在M23C6相附近的微晶界处聚集,促进Laves相的生成,且其数量、大小和体积分数不断增加,强化作用明显。老化之前,Si含量较低的材料,其硬度和抗拉强度更高,老化初期的50 h内,低Si含量FM钢的硬度和抗拉强度迅速降低;而Si含量为1.5%的FM钢硬度保持稳定,抗拉强度略有提升。

钽添加量对氧化物弥散强化低活化铁素体马氏体钢组织和力学性能的影响

采用粉末冶金法制备了不同钽添加量的氧化物弥散强化低活化铁素体马氏体钢,研究了钽添加量对该钢组织与力学性能的影响。结果表明:该钢的力学性能随着钽添加量的增多先升高后下降;当钽的添加量为0.18%时,晶粒细小均匀,在晶粒内有大量二次细小的TaC粒子弥散均匀析出,合金的力学性能最优,室温抗拉强度和伸长率分别为632MPa和24.2%,300℃下的抗拉强度和伸长率分别为557MPa和23.1%。

超临界水工况下铁素体马氏体钢氧化速率常数的计算方法与分析

基于双层氧化皮的可用空间模型,预测了400℃、500℃和600℃时超临界水环境下2种铁素体马氏体钢的氧化速率,并推算了较低温度下Fe在磁铁矿和铁铬尖晶石层中的扩散系数.结果表明:磁铁矿/超临界水界面处的氧分压满足反应平衡的等效氧分压;NF616钢(500℃、600℃)和HCM12A钢(600℃)的氧化皮增重模拟值与实验值较接近,说明基本假设是有效的;在400℃、500℃条件下HCM12A钢氧化皮增重的模拟值与实验值误差为40%,氧化速率比EPRI的氧化速率低1~2个数量级.

铁素体马氏体钢表面激光熔覆Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)/FeCrNi涂层的组织与性能研究

为改善铁素体/马氏体钢在液态铅铋环境下的磨蚀性能,采用脉冲激光熔覆技术在一种典型铁素体/马氏体钢表面成功制备出了单一Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)/FeCrNi复合涂层,并综合利用多种表征手段对两种涂层的相组成、微区成分、微观组织特征和硬度进行了研究和分析。研究发现,Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)/FeCrNi涂层熔覆区(CZ)的厚度分别约为260μm和180μm。Al_(2)O_(3)涂层CZ靠近样品表面的区域主要由较粗大的块状δ铁素体组成,而远离样品表面的区域由细小的板条状马氏体组成。Al_(2)O_(3)/FeCrNi涂层CZ微观组织较均匀,主要由细小的板条状马氏体组成。与此同时,两种涂层内均存在大量弥散分布的Al_(2)O_(3)颗粒。硬度测试显示,Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)/FeCrNi涂层的硬度分别为(363±75)HV和(467±17)HV,均明显高于基体((267±5)HV)。综合分析发现,细晶强化和第二相强化的共同作用是Al_(2)O_(3)/FeCrNi涂层硬度更高的原因。

热处理工艺对高铬低活化铁素体-马氏体钢力学性能的影响

铁素体-马氏体钢抗辐照性能优越,是用于辐照剂量较高的新型核电反应堆型结构件的候选材料。苛刻的服役环境要求铁素体-马氏体钢具有良好的综合力学性能、合适的晶粒度以及较少的内部缺陷。研究了正火+回火的热处理工艺对新成分铁素体-马氏体钢力学性能和微观晶粒组织演化的影响。采用Thermo-Calc热力学软件计算了不同相态的体积比例并与试验结果进行对比,发现两相比例变化的计算结果与试验结果高度一致。正火处理后,材料的抗拉强度和屈服强度受两相比例的影响权重最大。结果表明,采用1 080℃正火+670℃回火热处理的高铬铁素体-马氏体钢的抗拉强度为903 MPa,屈服强度为732 MPa,材料的综合性能最佳。

热处理对电弧熔丝增材制造核电用铁素体/马氏体钢微观组织与力学性能的影响

采用电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)技术制备了低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM钢),通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等观察微观组织变化,通过拉伸试验进行力学性能测试,研究了热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响.结果表明,打印态的RAFM钢微观组织为铁素体+回火马氏体的双相组织,平均晶粒尺寸约为1.51μm.经过热处理,RAFM钢的晶粒尺寸没有明显增长(1.84μm),并在微观组织中保留了高密度位错.此外,热处理后高数密度TiO2二次相纳米颗粒在基体中析出,并弥散分布在基体中,其尺寸在5~10 nm.热处理后的RAFM钢抗拉强度显著提高,断后伸长率略微下降,其室温抗拉强度为1080 MPa,在650℃下测试的抗拉强度仍可达285 MPa.创新点:(1)系统研究热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢的相组成、晶粒尺寸、析出相的影响.(2)阐明热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢力学性能的强化机制.

低活化铁素体/马氏体钢搅拌摩擦焊接头的高温蠕变性能

对5 mm厚度的低活化铁素体/马氏体钢(Reduced activation ferritic/martensitic steel,RAFM)进行了搅拌摩擦焊接,通过焊接接头的高温蠕变实验,研究低活化钢搅拌摩擦焊接头的高温蠕变性能与失效机理。结果表明,低活化钢搅拌摩擦焊接头高温力学性能良好。合金元素W和Ta含量高的RAFM钢的接头高温蠕变寿命更长,原因是Ta和W在高温环境中形成了更多的析出相,包括MX相和Laves相,对位错滑移的阻碍作用更强。650℃的蠕变寿命远远短于600℃的原因可能是,高温使得位错非常容易发生滑移,在Laves相还没有长大、MX相对位错滑移的阻碍作用不够强的情况下,在某些部位形成了密集的蠕变孔洞,造成有效横截面积急剧减少,应力集中严重,引发裂纹导致断裂。

液态铅基合金中铁素体/马氏体钢腐蚀的微尺度模拟计算研究

铅基合金是目前国际上首选的ADS散裂靶和冷却剂材料,其对结构材料的腐蚀问题会影响核反应堆的安全运行。本研究采用第一性原理方法研究了铁素体/马氏体钢(FM钢)和其表面Fe_(3)O_(4)氧化膜层在铅基合金介质中的腐蚀特性。研究结果表明,FM钢侧的空位和铅基合金中的溶解氧增强FM/PbBi界面的稳定性和结合强度;氧空位和铅空位都显著降低Fe_(3)O_(4)/PbBi界面的结合强度。

Si含量对9%Cr铁素体马氏体钢Laves相析出行为和冲击性能的影响

铁素体马氏体(F/M)钢是铅冷快堆堆芯的主要候选材料之一,提高F/M钢中的Si含量可提高其抗腐蚀性能,但会促进Laves相的析出从而影响其塑韧性。针对5种Si含量(0.34~1.20 mass%)的9%Cr F/M钢,开展了600℃下热老化不同时间的试验,研究了Si含量对其Laves相析出行为和冲击性能的影响。结果表明:热老化250 h后,5种Si含量的F/M钢均在原奥氏体晶界和马氏体板条界面上析出了不规则颗粒状为主的Laves相;随着热老化时间的增加,Laves相面积分数先增加后保持稳定,而平均直径逐渐增加。相同的热老化时间下,Laves相的密度和面积分数随Si含量的增加逐渐增加,但随着Si含量的增加,Si含量的影响呈现逐步减弱的趋势,当Si含量达到0.98 mass%后,进一步增加Si含量不会显著影响Laves相的析出行为。Si含量对Laves相的平均直径、粗化速度和化学成分的影响不显著,Laves相在600℃下的粗化速度约为8.5 nm/h^(1/3)。热老化250 h后,不同Si含量的F/M钢冲击性能均显著退化;相同热老化时间下,F/M钢的冲击性能随Si含量的增加有下降的趋势,Laves相的析出是冲击性能退化的主要原因。

铁素体-马氏体钢P92在超临界水中的腐蚀性能

研究了P92钢在550和600℃超临界水中的腐蚀特性,采用扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪分析了氧化膜的表面形貌、组织结构和元素分布。结果表明:P92钢在超临界水中的氧化动力学大致服从立方生长规律,600℃下P92钢的腐蚀增重和氧化膜厚度均为550℃时的3倍。P92钢在超临界水中形成的氧化膜为双层结构,氧化膜外层富Fe,而内层富Cr。600℃时P92钢氧化膜发生了开裂和剥落,其原因主要在于降温过程中基体与氧化物间的热膨胀系数不相匹配而产生的较大热应力。

低活化铁素体/马氏体钢厚板光纤激光焊接接头组织及力学性能分析

针对核聚变反应堆试验包层模块(TBM)中使用的CLF-1低活化铁素体/马氏体钢进行焊接试验,采用15 k W光纤激光,实现了17.5 mm厚CLF-1钢的穿透焊接,得到了正反表面成形良好、无明显缺陷的焊接接头,并对接头显微组织及力学性能进行了分析研究.结果表明,焊缝区主要为粗大的板条马氏体;熔合线附近热影响区为细小的板条马氏体和少量贝氏体;不完全淬火区为经焊接热循环作用下二次回火的回火索氏体及马氏体双相组织;接头室温及550℃高温抗拉强度较高,均断裂于母材;焊缝显微硬度高于母材,且热影响区无明显软化;接头冲击韧性良好.接头综合力学性能良好.

冷变形对12Cr铁素体/马氏体钢回复与再结晶过程的影响

研究了一种新型高Cr低活性铁素体/马氏体(F/M)钢用作超临界水堆燃料包壳管用候选材料,研究冷变形对其铁素体和板条马氏体双相组织的回复、再结晶过程的影响。结果表明,不同冷变形量对板条马氏体再结晶的促进程度不同,10%冷变形后780℃高温退火只发生回复,回火马氏体板条发生合并与迁移;60%冷变形后780℃高温退火,回火马氏体发生快速回复和再结晶。相同冷变形量下,高温退火时回火马氏体会优先于铁素体发生再结晶。12%δ铁素体的存在并不会明显延缓回火马氏体的再结晶过程,长时退火后,少量的铁素体晶粒都会转变成二次再结晶铁素体晶粒,最终组织为细晶铁素体。

一种低活化铁素体／马氏体钢的高能重离子辐照效应研究

低活化的铁素体/马氏体钢是先进核能装置(如聚变堆)的重要候选结构材料。在聚变堆实际工作环境下,由于高温和高氦产生率引起的材料失效是这类材料面临的一个重要问题。本项研究以兰州重离子加速器(HIRFL)提供的中能惰性气体离子束(20Ne,122 MeV)作为模拟辐照条件,借助透射电子显微镜,研究了一种低活化的9Cr铁素体/马氏体钢(T92B)组织结构的变化和辐照肿胀。实验结果表明,高温下当材料中晶格原子的撞出损伤和惰性气体原子沉积浓度超过一定限值时,材料内部形成高浓度的空洞,并且空洞肿胀率显著依赖于辐照温度和剂量;在马氏体板条界面及其它晶界处空洞趋于优先形成,并且在晶界交汇处呈加速生长。基于氦泡的形核生长与空洞肿胀的经典模型探讨了在不同辐照条件(He离子、Ne离子、Fe/He离子双束、快中子、Ni离子)下铁素体/马氏体钢中肿胀率数据的关联。

CLF-1低活化铁素体/马氏体钢的热处理工艺

用显微硬度测试、微观组织观察、室温拉伸试验等方法研究了不同的热处理工艺参数对CLF-1低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)显微组织与力学性能的影响,在此基础上确定了其适宜的热处理工艺。结果表明:经980℃×45 min固溶+740℃×90 min回火工艺热处理后,该钢显微组织良好且力学性能优异,抗拉强度达到760 MPa,伸长率为19.5%,可满足该钢的使用性能要求;其再结晶温度约为780℃;由α区进入α+γ两相区的相变点为820℃;在略高于920℃后将进入γ单相区。

低活化铁素体–马氏体钢搅拌摩擦焊接头组织和性能分析

文中对9%Cr低活化铁素体马氏体钢搅拌摩擦焊接头的组织和性能进行了分析.结果表明,搅拌摩擦焊接头不同区域微观组织存在明显的差异.搅拌区内奥氏体的动态再结晶引起晶粒细化和马氏体转变,并且晶界M23C6相溶解,晶内M3C相析出;热力影响区组织变化与搅拌区相似,但晶粒尺寸明显大于母材;热影响区和母材区均表现回火组织特征.搅拌区硬度显著提高,分布均匀;热力影响区硬度值变化较大;热影响区发生软化,其硬度值在接头区域最低.随着拉伸测试温度的增加,搅拌区的屈服强度单调降低,抗拉强度先增大后减小,而断后伸长率先减小后增大.

先进快堆外套管材料铁素体/马氏体钢研究进展

介绍了快堆外套管材料的使用要求以及国内外快堆外套管材料的选用情况,论述了快堆中中子辐照对铁素体/马氏体钢的微观结构和力学性能的影响,并介绍了国产快堆外套管材料铁素体/马氏体钢的研发计划。铁素体/马氏体钢具有优异的抗辐照肿胀性能,T92钢作为第三代铁素体/马氏体钢同时具有良好的高温强度,被作为国产快堆外套管的首要候选材料。

部分奥氏体化和完全奥氏体化铁素体/马氏体双相钢的CCT曲线

采用Formaster热膨胀仪分别测定了部分奥氏体化与完全奥氏体化冷轧热镀锌Fe-CMn-Cr-Nb-Ti系双相钢的CCT曲线,分析了连续冷却过程中的相变规律,从动力学角度分析了部分奥氏体化与完全奥氏体化试验钢CCT曲线的区别。结果表明：在冷速分别为1,3,5℃·s^-1时,部分奥氏体化试验钢的铁素体开始转变温度比完全奥氏体化试验钢的分别高36,25,44℃;与完全奥氏体化试验钢相比,部分奥氏体化试验钢的贝氏体转变在向低冷速区推移的同时,也向高冷速区推移,贝氏体转变冷速范围变宽,为1~40℃·s^-1;当冷速为1~10℃·s^-1时,部分奥氏体化试验钢的贝氏体开始转变温度要低于完全奥氏体化试验钢的,而当冷速为15~20℃·s^-1时,情况则相反;为了保证冷轧热镀锌钢的最终淬火组织为铁素体/马氏体双相组织,冷速需大于40℃·s^-1。

低活化铁素体/马氏体钢离子辐照后的微观结构变化

采用100keV的氢离子在450℃对两种成分的低活化铁素体/马氏体钢进行了辐照实验;同时为了对比研究低活化铁素体/马氏体钢中的合金元素在辐照过程中的行为,将Fe-10Cr合金以及纯铁一起进行了离子辐照.通过透射电子显微镜观察发现,当辐照剂量为1×1017H+/cm2时,在低活化铁素体/马氏体钢中产生了一定数量的位错缺陷,另外,发现有大量富含合金元素Cr的点状析出物产生.

铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢在超临界水中的腐蚀行为

采用腐蚀增重法,结合扫描电镜、能谱分析和X射线衍射技术对比研究了铁素体/马氏体钢P92和奥氏体不锈钢HR3C在550~650°C/25 MPa的超临界水中的腐蚀行为.结果表明,2种材料以均匀腐蚀为主,并且腐蚀增重均服从幂指数规律.P92钢的腐蚀增重比HR3C钢高近2个数量级,其表面氧化膜为典型的双层结构;温度极大地加速了P92钢的腐蚀,当温度低于650°C时其表面氧化膜完整连续,而在650°C时表面氧化膜出现开裂.HR3C钢的腐蚀增重随温度的升高而增大,但是并不明显;HR3C钢表面出现了少量的疖状腐蚀,基体材料内的Cr极大地抑制了疖状腐蚀的发展,其深度约为2μm.