国产核电主管道用316LN钢的低周疲劳性能评估

对CAP1400核电机组国产主管道用316LN钢开展室温(25℃)、服役温度(350℃)、500℃和600℃下的低周疲劳试验,得到该钢的循环应力响应特性和迟滞回线,基于RambergOsgood模型和Manson-Coffin模型拟合稳定循环应力幅-应变幅曲线和应变幅-失效反向数曲线,采用ASME锅炉及压力容器规范最佳拟合疲劳曲线和设计疲劳曲线对该钢的低周疲劳性能进行评估。结果表明:316LN钢的循环应力响应过程包含循环硬化、循环软化、稳定循环和最终失效4个阶段;500,600℃下316LN钢发生显著的动态应变时效,350℃下动态应变时效特征不明显,室温下不存在动态应变时效现象;Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型可以较好地描述316LN钢的稳定循环应力幅-应变幅和应变幅-失效反向数关系;在室温和350℃条件下316LN钢的疲劳试验数据均高于修订后的最佳拟合疲劳曲线,应变调整系数取2或疲劳寿命调整系数取12的试验数据均高于设计疲劳曲线,低周疲劳性能满足ASME规范要求。

316LN钢的高温本构模型与热加工图

目的研究316LN钢的高温变形行为,确定最佳加工区间并优化工艺参数。方法利用Gleeble热模拟实验机在变形温度为1000~1150℃、应变速率为0.001~10 s^(-1)条件下对316LN钢进行热压缩实验。根据实验数据分别绘制不同变形温度和不同应变速率下的流变应力曲线。在传统Arrhenius双曲正弦关系的基础上,考虑应变量的影响,通过五次多项式拟合建立316LN钢的改进型本构模型,基于动态材料模型及Prasad塑性失稳判据计算得到材料的能量耗散图和流变失稳图,将二者叠加得到316LN钢的热加工图。结果流变应力曲线呈现典型的动态再结晶特征,且随着应变速率的增大和变形温度的升高,316LN钢的压缩应力逐渐减小,耦合应变量的本构模型预测值与实验值的相关系数达0.9888,吻合度较高。通过建立热加工图并对比金相组织发现,316LN钢在“安全区”能量耗散效率较大的区域更容易发生动态再结晶行为。结论高变形温度、低应变速率条件更有利于软化机制的发生,改进型本构模型精度较高,可对316LN钢热变形过程中的流变应力进行准确预测。通过构建热加工图确定了316LN钢的最佳工艺区间:温度为1035~1065℃、应变速率为0.001~0.03 s^(-1)以及温度为1100~1150℃、应变速率为0.035~0.1 s^(-1)。

316LN钢多道次变形条件下的动态再结晶行为

通过高温热力学模拟实验,研究了大型核电主管道用钢316LN在应变速率0.01s-1,温度1200℃～1150℃、1100℃～1050℃、1000℃～950℃双道次变形条件下的高温变形行为,得到了该钢种在多道次变形条件下的流动应力曲线。通过对热模拟试样高温淬火后显微组织的研究分析,得到了多道次变形条件下的动态再结晶规律和组织控制规律。

316LN钢奥氏体晶粒长大模型

通过改变加热温度和保温时间研究核电主管道用钢316LN奥氏体晶粒的长大规律。结果表明,随着加热温度的升高和保温时间的延长,实验钢奥氏体晶粒尺寸逐渐增大,且加热温度为1 200℃保温2h时出现混晶现象。奥氏体平均晶粒尺寸变化曲线表明,与保温时间相比,加热温度对晶粒尺寸的影响更大。对实验数据进行非线性回归,建立了描述316LN钢奥氏体晶粒长大规律的数学模型;通过对比实验值与计算值验证了模型的精度和可靠性。研究结果对确定316LN钢始锻温度和制订加热规范具有指导意义。

316LN钢裂纹萌生的临界损伤值

利用Gleeble-1500D热力模拟试验机,对316LN钢进行变形温度为950℃～1200℃,应变速率为0.005s-1、0.05s-1、0.5s-1和1s-1的高温拉伸实验,得到不同变形条件下的真应力-真应变曲线;根据曲线做拉伸卸载实验,利用光学显微镜(OM)观察空洞萌生,确定空洞萌生应变。采用Normalized Cockcroft&Latham准则,用DEFORM 2D模拟高温拉伸变形过程,通过实验与数值模拟结果对比,得到了在不同变形条件下裂纹萌生的临界损伤值。该临界损伤值受温度和应变速率的影响,随着温度的降低而增加,随应变速率的增加而增加。该值的确定,对316LN钢锻造裂纹的预测及锻造工艺的制定具有指导意义。

应力三轴度对316LN钢临界损伤值的影响

利用Gleeble-1500D热模拟机对316LN钢做温度1 050℃、应变速率0.5s-1的高温拉伸试验,试样尺寸Φ10mm×121.5mm,缺口半径分别为0.5mm、1mm、2mm和4mm,得到不同缺口半径试样的真应力-真应变曲线。通过数值模拟得到试样初始拉伸时的应力三轴度最大值及空洞形核时的临界损伤值,结果表明,缺口试样的临界损伤值随应力三轴度的增大而增大,即应力三轴度越大,裂纹越不容易萌生。通过对实验数据和模拟结果的回归分析,建立应力三轴度与空洞形核应变的定量关系模型。

316LN钢高温塑性及其断口特征

利用Gleeble-1500D热力模拟试验机,对316LN钢进行温度为950~1200℃,应变速率分别为0.005、0.05、0.5和1s-1的热力模拟试验。借助扫描电镜（SEM）对断口进行观察,研究316LN钢的高温塑性及高温断裂机制。结果表明：316LN钢高温断裂为韧性断裂,随着温度和应变速率的增加,韧窝尺寸增大,深度增加,塑性增加。同时,采用回归方法构建了断裂应变、塑性指标（延伸率和断面收缩率）分别与变形条件（温度和应变速率）的关系模型,应用这些模型可以计算一定条件下316LN钢的断裂应变、延伸率和断面收缩率,对制定316LN钢的锻造工艺有一定的指导作用。

应力状态对316LN钢高温塑性的影响

对316LN钢在Gleeble-1500D热模拟实验机上做高温拉伸实验,试样尺寸为○/10.0 mm×121.5 mm,缺口半径分别为0.5、1.0、2.0、4.0 mm和∞(光滑试样),温度为950℃!1200℃,应变速率为0.5 s-1,得到不同变形条件下试样的断面收缩率变化规律;通过数值模拟,得到开始拉伸时不同缺口拉伸试样最小横截面部位的应力三轴度分布.对比实验与数值模拟结果表明:316LN钢的高温塑性与应力三轴度和晶粒尺寸有关.如果晶粒尺寸相差不明显,应力三轴度起主导作用,应力三轴度越小,断面收缩率越大,塑性越好;如果晶粒尺寸相差明显,晶粒尺寸起主导作用,应力三轴度越小,断面收缩率越小,塑性越差.

铸态316LN钢平面压缩过程中的组织演变模拟

应用Deform-3D软件对铸态316LN奥氏体不锈钢平面压缩过程进行了数值模拟,研究了不同变形温度、不同压下量的铸态316LN组织演变规律。结果表明,当变形温度一定时,随着压下量的增加,动态再结晶体积分数增加,晶粒尺寸细化。当变形温度较低时,随着压下量增加,材料的晶粒变小,但仍以原始粗大晶粒为主。当变形温度升高时,再结晶程度增大,晶粒更容易得到细化。在1200℃时,较小的变形量下就可以获得细小的晶粒。

316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型

利用Gleeble热模拟压缩实验，研究316LN奥氏体不锈钢在温度950℃～1250℃、应变速率0．001s-1～1．0s-1下的高温变形特征，并测得相应的流动应力曲线。对实验数据进行计算拟合，建立加工硬化一动态回复和动态再结晶“两阶段”高温流动应力模型、动态再结晶百分数及晶粒尺寸模型。将所建模型写入有限元软件进行数值模拟，其结果与实验吻合，说明该模型准确可靠，可用于316LN热变形过程的数值模拟。

一种核级316LN钢的相图计算与微合金化设计

用热力学方法计算了一种核级316LN钢及其在Nb、V微合金化条件下的伪二元平衡相图,研究了不同温度下钢的平衡相组成。结果表明,316LN钢中的主要析出相为Cr2N、M23C6、和相,Nb微合金化316LN钢中会形成含C的MX,有望提高材料的力学性能和耐晶间应力腐蚀性能,V微合金化316LN钢中会形成VN,但对稳定C的作用不大。

316LN钢高温流变行为研究

利用Gleeble-3800热模拟试验机对核电主管道锻造专用钢316LN钢进行等温热压缩实验,研究了应变速率为0.001、0.01、0.1和1 s-1,变形温度为900、1000、1100、1200和1240℃,压缩变形量为60%条件下的316LN钢的高温流变行为。实验结果表明,高温流变应力在一定变形条件下,呈现出典型的单峰型动态再结晶的应力-应变曲线特征,随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低。采用Arrhenius双曲正弦关系描述316LN钢的高温流变行为,确定其热变形激活能Q=411.46 kJ·mol-1,建立316LN钢的流变应力本构方程,其结果可为核电主管道锻造工艺的数值模拟和工艺参数的确定提供参考。

核电主管道用钢316LN高温变形性能研究

通过热力学模拟实验,研究了316LN钢在900～1200℃、应变速率为0.01～1s-1变形条件下的高温变形性能,得到了其在大型锻造件生产条件下的流动应力曲线。通过对实验数据进行多元线性拟合,建立了316LN钢的动态再结晶模型。通过变形试样淬火后显微组织的研究分析,验证了所建立模型的正确性。比较了动态再结晶对电渣重熔钢锭和真空浇铸钢锭晶粒细化效果的差异,从而初步确定了316LN钢合理的锻造工艺区间。

应变速率和应力三轴度对316LN钢强度的影响

为了获得应变速率和应力三轴度对316LN钢强度的影响,在Gleeble-1500D热模拟实验机上进行了温度为1050℃的热拉伸实验。对于光滑试样,应变速率分别为0.005,0.05,0.5和1 s-1。对于缺口试样,应变速率设为0.5 s-1,缺口半径分别设为0.5,1,2和4 mm。结果表明,随应变速率和应力三轴度的增加,屈服强度和抗拉强度增加,屈强比减小,裂纹不易萌生。通过回归分析,分别建立了强度指标与应变速率和应力三轴度之间的数学模型,并通过敏感性分析得到:随应变速率增加和应力三轴度减小,应变速率和应力三轴度对强度的影响变小。

316LN钢亚动态再结晶行为

采用Gleeble-1500D热模拟实验机对316LN不锈钢在变形温度为1050~1150℃、应变速率为0. 01~1 s-1、道次间隔时间为10~60 s条件下,进行双道次热压缩实验,研究了316LN钢的亚动态再结晶行为。实验结果表明,在所有实验条件下,该材料均发生明显的亚动态再结晶。通过金相显微组织的观察结果可知,变形温度、应变速率、道次间隔时间对晶粒组织的影响十分显著,随着变形温度的升高、应变速率的增加以及道次间隔时间的延长,材料的软化程度在不断增大,晶粒组织也更均匀。基于实验获得的双道次压缩应力-应变曲线,建立了316LN钢的亚动态再结晶动力学模型,通过模型预测值与实验值的对比可知,该模型具有较高精度。

316LN钢ESR材料热变形行为及高温塑性本构方程

为了研究铸态316LN钢ESR材料的高温变形行为,建立铸态316LN钢ESR材料高温塑性本构方程,采用Gleeble-1500D热模拟试验机对316LN钢进行等温压缩试验,研究了316LN钢ESR材料在变形温度为900~1200℃、应变速率为0.001~1 s^(-1)、最大变形量为55%条件下热变形行为,并测得相应的流动应力-应变曲线。结果表明,在高变形温度、低应变速率的条件下,更有利于动态再结晶的发生。通过对试验数据进行多元线性拟合计算,得到了316LN钢的热变形激活能,建立了316LN钢ESR材料的高温塑性本构方程。

316LN钢中厚板表面裂纹成因分析

针对生产中316LN钢出现的表面裂纹,采用宏观检验、微观检验及化学成分分析等手段对316LN钢中厚板表面裂纹产生的原因进行分析。结果表明:裂纹的形成可能是轧制前铸坯表面存在的凸起导致的。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟轧板表面凸起在轧制后压入轧板表面的情况。结果表明:表面裂纹的形成是由于轧制前铸坯上凸起区域的表面除鳞不完全,Fe、Cr等复合氧化物没有被完全除去,在轧辊和铸坯较大的摩擦力作用下,凸起区域被翻转、压延进入基体,裸露在铸坯表面的氧化物脱落,嵌入内部的氧化物由于硬度高、脆性大,与基体不易结合,在进一步轧制过程中无法焊合。

316LN奥氏体不锈钢晶粒长大倾向性

在不同的加热温度和保温时间下研究核电主管道用钢316LN奥氏体晶粒的长大规律。结果表明,随着加热温度的升高和保温时间的延长,实验钢奥氏体晶粒尺寸逐渐增大。对实验数据进行非线性回归,建立了描述316LN钢奥氏体晶粒长大规律的数学模型;通过时比实验值与计算值验证了模型的精度和可靠性。研究结果对确定316LN钢始锻温度和制订加热规范具有指导意义。

长时保温条件下316LN不锈钢奥氏体晶粒的变化规律

基于理化检测分析,研究了316LN钢在不同加热温度下长时间保温的晶粒度变化规律。对试验数据进行了非线性回归,建立了描述316LN钢奥氏体晶粒度长时保温条件下的长大规律模型。结果表明,在1150℃以下,保温时间从10 h到50 h,晶粒尺寸缓慢长大;1150℃以上,保温时间从10 h到50 h,晶粒尺寸长大速度加快。通过对比试验值与模型预测值,发现拟合尺寸与实际尺寸符合度较好,验证了模型的精度。

AP1000主管道控制锻造工艺探索

AP1000主管道整体锻件是成形难度较大的一种锻件。通过研究防止表面裂纹产生和控制晶粒细化的方法,确定了主管道锻件成形工艺参数,成功地用于实际产品生产,并取得了满意的效果。