20MnNiMo核电用钢的热变形宏微观演化行为研究

摘要

核电封头和反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel, RPV)大型锻件是核电站设备上的重要零部件，其长期在高温、高压、流体冲刷和侵蚀的恶劣环境下工作，所以此类大锻件对成形质量及微观组织性能的要求极高。目前，20MnNiMo低碳合金钢是制造核电封头和压力容器的主体材料，为获得优良的微观组织和力学性能，实现控制锻造的目的，研究20MnNiMo核电用钢的热塑性宏观变形行为和微观组织演化规律对于制定合理的热成形工艺参数有着重要的工程实际意义。
　　论文以铸态20MnNiMo钢为研究对象，结合热物理压缩试验研究和有限元仿真模拟，利用数学统计回归分析方法和金相显微实验验证，主要从以下方面系统研究20MnNiMo核电钢的热塑性变形宏微观演化行为及规律：
　　①热塑性变形时的宏观流变应力模型研究。通过热模拟压缩试验获得20MnNiMo核电钢的高温流变曲线，分析其宏观流变应力的变化特点，探讨应变量、变形速率和温度等变形工艺参数对20MnNiMo核电钢的热变形行为影响规律；分别基于经典Arrhenius模型、物象模型和人工神经网络模型描述并建立其高温流变应力模型，对比研究各自优缺点，进而确立较精确描述20MnNiMo核电钢热流变宏观力学行为的材料模型。
　　②热变形过程中的微观动态再结晶行为研究。根据热物理模拟压缩试验数据建立该低碳低合金核电钢的动态再结晶微观组织演化相关模型，包括再结晶动力学模型、动态再结晶临界应变模型和动态再结晶晶粒尺寸模型。利用DEFORM有限元平台分析20MnNiMo核电钢的动态再结晶微观演化特点，并基于DEFORFM有限元的CA模块，构建用于模拟动态再结晶微观演化的元胞自动机模型。
　　③基于有限元的热变形宏微观演化模拟。通过直接和二次开发间接导入材料参数及相关模型，分析20MnNiMo核电钢热塑性变形时的微观组织演化行为，定量、连续、动态和可视化地再现其微观晶粒的演化规律；通过改变温度和变形速率等工艺参数，研究热力参数对20MnNiMo核电钢动态再结晶行为的影响，并与金相实验进行对比以验证所建材料模型的适用性。最后，以某大型核电封头锻件为例，初步实现20MnNiMo核电钢在高温变形过程微观组织演化的模拟和预报。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 相关领域研究现状

1.3 课题研究的目的和主要内容

2 20MnNiMo核电钢热压缩行为的试验研究

2.1 实验材料

2.2 实验方案

2.3 本章小结

3 20MnNiMo核电钢的宏观流变应力特性

3.1 真应力-真应变曲线

3.2 Arrhenius型唯象流变应力模型

3.3 基于物象的两阶段流变应力模型

3.4 ANN神经网络预测模型

3.5 三类模型的预测对比

3.6 本章小结

4 20MnNiMo核电钢的微观演化数学模型

4.1 动态再结晶的临界条件

4.2 动态再结晶模型的构建

4.3 20MnNiMo核电钢的二维CA元胞模型

4.4 本章小结

5 20MnNiMo核电钢热变形宏微观演化的有限元分析

5.1 流变模型与数值模拟的集成

5.2 动态再结晶过程的CA微观模拟及试验对比

5.3 某型核电封头大锻件成形模拟及微观演化预测

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表论文

B 作者在攻读硕士学位期间已授权发明专利