CLAM钢长期热暴露过程中显微组织演变规律研究

摘要

中国低活化马氏体（China low activation martensitic, CLAM）钢具有较低的辐照肿胀率和热膨胀系数、高热导率等优点，同时具有相对成熟的工业生产基础，是未来商用聚变反应堆第一壁包层结构材料的主要候选之一。本文主要以CLAM钢为对象，在500-650℃范围内的真空环境中进行长达10000 h的长期热暴露实验，利用OM、SEM和TEM等检测技术分析了 CL AM钢的马氏体板条等亚结构的变化、合金元素的扩散和分布规律及析出物的演变等显微组织的演变规律。同时，利用MT S拉伸试验机，夏比冲击试验机、维氏显微硬度仪等研究了CLAM钢强度、塑性、冲击韧性、硬度等力学性能变化。其主要结论如下：
　　1、在不同温度（500、550、600、650℃）热暴露长达10000 h后， CLAM钢中钢的显微组织仍为马氏体结构，但原奥氏体晶粒发生了轻微的粗化，钢中位错密度减少，板条宽度增加，部分马氏体回复形成亚晶粒，且温度越高，板条长大及回复现象现象越明显。
　　2、在不同温度（500、550、600、650℃）热暴露长达10000 h后CLAM钢中V元素的分布几乎无变化， Cr、C元素在晶界处偏聚现象增加，晶界与晶粒内部含量的差值逐渐增大。经550℃/2000 h和600℃/3000 h后，W、Ta两种合金元素在晶界处发生明显偏聚，且随时间的延长偏聚现象越明显。
　　3、热处理后的CL AM钢中分布在晶界、亚晶界、板条界处的尺寸相对较大的析出物为M23 C6型碳化物，弥散分布在基体中的尺寸较小的析出物为MX型碳氮化物，也可观察到少量尺寸相对较大的TaC粒子分布在基体当中。在不同温度（500、550、600、650℃）长期热暴露时效中，析出物的尺寸和数量随着时效时间的增长而逐渐增大，且温度越高，析出物长大越明显。同时，Laves相在550℃/2000 h和600℃/3000 h的热暴露时效过程中析出，且随着热暴露时效时间的延长而逐渐长大。
　　4、经长期热暴露时效后CLAM钢的室温力学性能逐渐退化。经500℃/10000 h热暴露后，除冲击吸收功大幅降低外，强度和硬度退化不明显，经550、600、650℃时效10000 h后，CLAM钢强度下降，冲击吸收功降低，硬度值保持不变，力学性能逐渐退化。
　　5、CLAM在500-650℃范围内的真空环境中长达10000 h的热暴露实验结果表明：CLAM钢在长期高温热暴露环境下服役时（高于550℃），材料的显微组织和力学性能发生明显的退化，但即使经650℃时效10000 h，CLAM钢的力学性能也能维持在相对较高的水平。

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第一章 绪论

1.1 能源与ITER计划

1.2 聚变堆第一壁/包层材料

1.3 低活化铁素体/马氏体钢的发展现状

1.4 本课题研究的目的及意义

第二章 研究内容及方法

2.1 研究内容及技术路线

2.2 实验材料及方法

第三章 CLAM钢长期热暴露前的初始显微组织和性能

3.1 CLAM钢的初始显微组织

3.2 CLAM钢的初始力学性能

3.3 本章小结

第四章 CLAM钢在长期热暴露后的显微组织演变

4.1 引言

4.2 长期热暴露过程中CLAM钢马氏体演变规律

4.3 长期热暴露过程中CLAM钢中合金元素的分布规律

4.4 长期热暴露过程中CLAM钢析出相的演变规律

4.5 本章小结

第五章 CLAM钢在长期热暴露下的力学性能演变

5.1 引言

5.2 长期热暴露对CLAM钢强度的影响

5.3 长期热暴露对CLAM钢冲击性能的影响

5.4 长期热暴露对CLAM 钢硬度的影响

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

附录

致谢