中国低活化马氏体钢TIG焊微观组织与力学性能的研究

摘要

低活化铁素体/马氏体钢具有优良的力学性能和热物理性能(较低的辐照肿胀与热膨胀系数、较高的热导率)，以及相对成熟的技术基础，被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。中国低活化马氏体钢(CLAM钢)是具有中国自主知识产权的、成分及性能优化的低活化铁素体/马氏体钢。CLAM钢被定为中国设计研究的ITER试验包层模块的首选结构材料。由于低活化的要求，CLAM钢和其他低活化钢一样，采用W、Ta和V等合金元素来取代常规铁素体/马氏体钢中的Mo、Nb和Ni等。
　　 本文针对5mm的CLAM钢板，采用TIG焊接方法，进行平板对接焊和T型焊实验，焊接完成后对焊件进行不同温度的焊后热处理。使用金相显微镜和扫描电镜观察CLAM钢焊接接头微观组织；使用维氏硬度计、拉伸试验机和冲击试验仪对焊接接头进行硬度及力学性能测试。根据观察和测试结果，运用冶金学原理和相关理论，对焊接热循环、金相组织、焊接接头的力学性能和硬度以及它们之间的相互关系进行研究分析。
　　 研究结果表明，5mm厚平板对接实验中，单层焊和双层焊焊接接头中晶粒尺寸存在不同，但微观组织都为回火马氏体。随着焊后热处理温度的升高，焊缝中马氏体板条束分布逐渐均匀，同时焊缝中板条束也存在增大的趋势。两种焊接接头中都有微量M23C6碳化物析出。焊后热处理使双层焊焊接接头各区域硬度明显下降，并随热处理温度的升高而降低，实验表明810℃时焊缝金属的硬度下降幅度最大，降至与母材硬度相当。焊接接头抗拉强度也随焊后热处理温度的升高而降低，经760℃保温30min热处理的焊接接头抗拉强度为740MPa。经810℃热处理的接头抗拉强度降到700MPa以下。810℃的单层焊接头断裂在焊缝上，其余试样都断裂在远离焊缝与热影响区的母材上。热处理使接头冲击性能得到大幅提升，接头由脆性断裂转变成韧性断裂，未热处理的接头焊缝冲击功为9J，经760℃保温30min热处理的接头焊缝冲击功达108J，断口以韧窝为主。
　　 CLAM钢T型焊接头焊缝成型良好，但接头翼板存在明显的角变形。半V型坡口的T型接头中，由于翼板与腹板的散热环境不同，翼板热影响区晶粒比腹板区精细。对比不同接头形式的三板T型焊接头，W型的三板T型焊接头具有填充金属少，晶粒尺寸小、腹板热影响区窄等优点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 核能的现状与发展

1.1.1 聚变反应运行机理与反应堆发展历史

1.1.2 聚变反应堆结构材料

1.2 低活化马氏体钢焊接发展现状

1.2.1 F82H钢焊接发展现状

1.2.2 JLF-1钢焊接发展现状

1.2.3 EUROFER 97钢焊接发展现状

1.2.4 中国低活化马氏体钢焊接发展现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 试验材料与方法

2.1 试验方法

2.2 试验材料

2.2.1 试验材料的化学成分

2.2.2 试验材料力学性能

2.2.3 试验材料物理性能

2.2.4 实验材料的微观组织

2.3 实验过程

2.3.1 焊前准备

2.3.2 层间温度控制

2.3.3 焊接过程

2.3.4 外观检测

2.3.5 焊后热处理

2.4 接头微观组织测试

2.4.1 金相组织观察

2.4.2 扫描电镜观察

2.4.3 能谱测试

2.5 力学性能测试

2.5.1 硬度测试

2.5.2 拉伸测试

2.5.3 冲击测试

第三章 焊后热处理对CLAM钢TIG焊对接接头组织性能的影响

3.1 平板对接接头宏观截面分析

3.2 平板对接接头微观截面分析

3.2.1 金相组织观测与分析

3.2.2 扫描电镜观测与分析

3.2.3 能谱测试与分析

3.3 平板对接接头力学性能分析

3.3.1 硬度测试与分析

3.3.2 拉伸性能测试与分析

3.3.3 冲击性能测试与分析

3.4 本章小结

第四章 CLAM钢TIG焊T型焊接头焊接性研究

4.1 T型焊接头宏观截面分析

4.2 T型焊接头微观截面分析

4.2.1 金相组织观测与分析

4.2.2 扫描电镜观测与分析

4.3 T型焊接头硬度分析

4.4 T型焊接头变形分析

4.3 本章小结

第五章 包层模块第一壁CLAM钢焊接应用初探

5.1 三板T型焊接头宏观截面分析

5.2 三板T型焊接头金像组织观测与分析

5.3 三板T型焊接头硬度分析

5.2 本章小结

第六章 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文