锻造316LN不锈钢加速热老化与应力腐蚀开裂研究

摘要

核电是全球清洁能源发展的重要方向，核电主管道是核反应堆重要部件，其正常服役是核电安全的重中之重。现阶段我国核电主管道的研究仍严重缺乏服役老化数据和应力腐蚀开裂方面的基础工作。加速热老化是一种快速获得核电材料服役数据的有效方法。本文根据阿伦尼乌斯公式推导热老化温度与时间的对应关系，对316LN材质进行多种温度、时间的热老化处理。研究热老化态材料的冲击韧性、微观组织结构、物理性能等的变化趋势。同时进行了C型环应力腐蚀开裂实验研究及γ-Fe中C、N间隙模型第一性原理模拟研究。
　　通过MS软件Castep模块计算0K下C、N存在于γ-Fe四面体、八面体间隙时的独立弹性常数，从形成能、弹性模量、Cauchy压力判断出C存在于四面体间隙时不稳定，处于高能态。发现C原子固溶使材料强度增强，韧性下降，N原子的间隙模型相对于C的间隙模型，体系塑韧性增加。
　　计算了γ-Fe中三种典型位错运动的点阵阻力，发现三种稳定体系中，C原子固溶引起的点阵阻力最大。对层错能的计算发现，C原子在八面体间隙时层错能最高为232.8eV/nm，C原子的非稳态(四面体间隙)层错能最低为183.9eV/nm。
　　热老化态试样与固溶态试样进行冲击性能对比，350℃-10000h，400℃-2380h和450℃-708h三种热老化态冲击功下降幅度最大，分别为24.5％、22.7%和11.0%。通过SEM分析，发现随热老化时间延长，断口韧窝变浅，密度及均匀度下降。显微硬度实验和电阻率测试发现，350℃、400℃、450℃热老化状态随着热老化时间延长，晶界区域硬度升高，材料电阻率升高。同时TEM观察表明350℃-10000h状态相较于550℃-96h状态，位错趋于线性化和平直化。
　　对350℃热老化5000h的试样进行C型环应力腐蚀开裂试验，对断口进行了SEM和 EBSD分析，发现主裂纹初始处滑移带方向较为统一，而在断裂后期滑移带方向增多，并且出现较多二次裂纹。在裂纹扩展初期∑3晶界对裂纹具有阻碍作用，在裂纹垂直通过∑3晶界时出现裂纹的30°角分叉现象。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 核电主管道材料热老化研究

1.3 不锈钢的应力腐蚀开裂

1.4 第一性原理计算

1.5 主要研究内容及课题思路

第2章 材料及实验方法

2.1 实验材料及其制备

2.2 C型环应力腐蚀试验

2.3 微观亚结构分析及物理性能测试

2.4 第一性原理模型构建及分析方法

第3章 γ-Fe间隙模型弹性常数和力学性能计算

3.1 间隙模型稳定性计算

3.2 点阵阻力计算

3.3 间隙原子对层错影响

3.4 本章小结

第4章 C型环应力腐蚀开裂试验结果

4.1 C型环断口分析

4.2 裂纹扩展分析

4.3 本章小结

第5章 不同温度加速热老化对冲击性能影响

5.1 冲击性能分析

5.2 冲击断口分析

5.3 本章小结

第6章 加速热老化态微观结构分析与物理性能测试

6.1 热老化试样电阻率测试

6.2 热老化试样硬度分析

6.3 热老化试样TEM分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢