超临界水冷堆燃料包壳管用低活性F/M钢的优化设计

应用热力学计算与实验验证,系统研究了Cr、W、C、Mn对高Cr低活性F/M(铁素体/马氏体)钢基体相及显微组织的影响规律,并在此基础上,对钢的组织和成分进行设计与优化,以适应超临界水系统对包壳材料的性能要求。研究表明:Cr是决定高Cr低活性实验钢中奥氏体Cr固溶量以及钢中是否出现铁素体的最重要影响因素;W和C对实验钢铁素体相的出现有显著影响,而Mn的影响相对较小;W对实验钢中Laves相出现的温度范围及数量具有显著影响,Laves相消失的临界温度随W量降低而降低;在不采用Co、Ni等奥氏体形成元素且不增加Mn量的情况下,通过调控W、C等含量,Cr含量≥11%的Cr-W-C-Mn系低活性F/M钢即可获得全马氏体组织。

基于热加工图的F/M钢成形机制和工艺优化

采用Gleeble-3500对铁素体/马氏体(F/M)钢的热成形规律进行了研究。基于F/M钢热压缩应力-应变曲线,建立了F/M钢动态材料模型(dynamic material model,DMM)热加工图,并通过金相分析对热加工图进行了验证。结合热加工图和金相分析,研究了F/M钢热成形过程中的组织变化,给出了不同情况下的热加工参数:如后续需要继续大变形加工,可采用850℃、应变速率0.01 s^-1作为加工参数,该参数可生成细小、均匀且易加工的铁素体组织;如后续对F/M钢有较高的强度要求,可选取1150℃、应变速率10 s^-1作为加工参数,该参数可生成细小、均匀且高强度的马氏体。

12Cr3WV低活性F/M钢在热处理过程中的变形行为及计算机分析

以12Cr3WV低活性F/M钢材料为对象,研究了不同应变速率和实验温度对12Cr3WV低活性F/M钢材料的影响,利用金相显微镜对变形后的组织进行观察。实验结果表明,应变速率和变形温度对热处理过程中12Cr3WV低活性F/M钢材料的变形行为影响很大,变形温度不变时,奥氏体的动态再结晶程度随着应变速率的提高而呈现降低的趋势。

热老化温度对高Si含量F/M钢中Laves相析出行为和冲击性能的影响

铁素体马氏体钢(F/M钢)是铅冷快堆堆芯的主要候选材料之一,提高材料中的Si含量可提高其抗腐蚀性能,但同时会促进Laves相的析出从而影响材料韧塑性。针对一种Si含量为0.98%的F/M钢,开展了3种温度(500、550、600℃)下5000 h的热老化实验,研究了温度对Laves相析出行为和冲击性能的影响。结果表明,热老化温度升高能够促进Laves相的形核和粗化,且温度从550℃提高至600℃,Laves相的粗化速率从3.7 nm/h^(1/3)提高至9.0 nm/h^(1/3)。另一方面,热老化温度升高将加速冲击性能的退化,在550℃和600℃下热老化500 h,冲击功(AKV)值分别下降至热老化前的51%和39%,而在500℃下热老化2500 h,A_(KV)值仍保持热老化前的75%。Laves相的析出与冲击性能退化有强烈的对应关系,是冲击性能退化的主要原因。

F/M钢包壳管材热处理工艺优化

通过对Fe-12Cr-1.5W-0.2V-0.15Ta F/M钢包壳管材分别进行980~1150℃正火和600~730℃回火处理,研究不同热处理工艺对包壳管材微观组织、室温力学性能的影响。结果表明,不同温度正火处理后,F/M钢包壳管材的组织均为板条马氏体,随正火温度的升高,粗大的碳化物颗粒逐渐固溶至基体中,且原奥氏体晶粒尺寸会产生粗化,从1050℃的40μm增至1150℃的80μm;不同温度回火后,马氏体基体上析出细小纳米级碳化物颗粒,随回火温度增加,碳化物颗粒析出数量明显增加,但析出的碳化物颗粒尺寸无明显变化;包壳管材经过1100℃×60 min正火+650℃×90 min回火后具备良好的微观组织和力学性能,其原始奥氏体晶粒无明显长大,马氏体板条组织平均晶粒尺寸约为6.0μm,小角度晶界比率为59.6%,沿着原奥氏体晶界有纳米相析出,晶内马氏体界面处析出大量纳米相,此时,管材表现出良好的强塑性匹配,抗拉强度为1024 MPa、屈服强度为849 MPa、伸长率为17.3%。

P92钢高温低周疲劳的实验研究

由于高的热效率和简单的系统组成,超临界水堆(SCWR)被认为是第四代核反应堆的一种选择。超临界水堆的关键问题之一是核心部件尤其是燃料组件包壳的材料。这些材料在高温下的力学性能、腐蚀和应力腐蚀开裂敏感性以及抗辐射性能等对核电厂的安全运行至关重要。本文对SCWR包壳候选材料的F/M类材料P92钢进行了高温低周疲劳实验研究。实验温度为600和650℃,控制方式为总应变控制,应变范围均为±0.2%～±0.6%。实验结果表明,在两种温度下,P92钢均为循环软化材料,但未出现循环稳定现象。由于温度升高,塑性增强,P92钢在650℃下的宏观裂纹出现周次比率随应变范围的增加,下降比较平缓,且650℃下的失效寿命显著高于600℃下的失效寿命。并得到了两种温度下的稳定循环应力-塑性应变的关系以及循环失效寿命和应变的关系。

汽车用1180 MPa级F/M高强双相钢板坯高温热塑性研究

采用Gleeble3500热模拟试验机在温度区间650～1300℃对汽车用1 180 MPa级F/M双相高强钢进行高温热塑性研究,绘制热塑性曲线并对高温拉伸试样断口和显微组织进行观察。试验结果可知:该钢种在试验温度范围内存在1个脆性区,即910～675℃区间,800℃时断面收缩率达到最小值28.76%,在熔点～910℃温度区间内呈现良好塑性,断面收缩率均在60%以上;高温塑性区较窄,第Ⅲ脆性区"布袋"曲线明显且范围较大,该钢种裂纹敏感性高。断口观察可知,950℃和650℃断口均具有典型韧窝特征,属于韧性断裂;800℃断口为沿晶和解理混合型断口,属于典型脆性断裂。650℃断裂主要由先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出引起,800℃脆性断裂主要由晶界弱化导致,1 050℃以上高温热强度低,拉伸超过材料所承受的最大强度而发生缩颈断裂。为避免板坯在矫直段产生裂纹,铸坯矫直温度应控制在950℃以上,避开第Ⅲ脆性区(910～675℃)。

热时效对含硅铁素体/马氏体钢力学性能的影响

对4种不同Si含量的9Cr-铁素体/马氏体(F/M)钢开展550℃热时效实验(最长时间为5000h),测试其屈服强度(R_(p0.2))、抗拉强度(R_(m))、延伸率(A)等力学性能,并结合扫描电子显微镜/能谱仪(SEM/EDS)、透射电子显微镜(TEM)表征手段,研究微观组织结构与力学性能之间的关联规律。结果表明:添加少量的Si可以提高9Cr-F/M钢的强度,且Si含量(质量分数)为0.7%时,R_(p0.2)和R_(m)达到最大值,但Si的添加会促进Laves相析出;时效时间(t)对9Cr-F/M钢的塑性有显著影响,当t<2500 h时,9Cr-F/M钢的塑性变化不大,但当Si含量提高至1.0%,经5000 h时效后塑性大幅下降,这归因于Laves相在晶界的析出和长大。