不同Y/Ti原子比对纳米结构9Cr-ODS钢微观组织和力学性能的影响

摘要

聚变堆第一壁/包层候选材料—纳米结构氧化物弥散强化钢（ODS钢）中超高密度的富Y-Ti-O纳米析出相、高密度的位错及亚微米级的晶粒等特征性的微观结构，使其具有优异的抗辐照性能和良好的高温力学性能。超高密度弥散分布的富Y-Ti-O纳米析出相对纳米结构ODS钢的性能起着至关重要的影响，但目前纳米结构ODS钢还处于研发的阶段，合金成分对纳米结构ODS钢的组织和性能的影响还不完全清楚，尤其是对不同类型富Y-Ti-O纳米析出相形成和演化机制及其对性能的影响等还缺乏深入的理解，制约了纳米结构ODS钢微观结构的优化和性能的提高。本文通过利用机械合金化和热等静压技术制备了四种不同Y/Ti原子比的9Cr-ODS钢样品，使用HRTEM、STEM、TEM、EBSD等分析手段研究了四种样品中的纳米析出相的结构、种类、尺寸和密度;测试了样品的硬度、密度、高温拉伸强度等力学性能，分析了不同Y/Ti原子比对9Cr-ODS钢微观组织及其力学性能的影响。得到以下结论:
　　(1)通过机械合金化和热等静压技术制备出四种不同Y/Ti比的纳米结构ODS钢，致密度都能达到理论密度的98％以上，致密化效果良好。
　　(2)三种含Ti的ODS钢中都弥散分布着高密度的非化学计量比的Y-Ti-O纳米团簇，Y2Ti2O7相和尺寸较大的Cr2MnO4析出相。而在无Ti9Cr-ODS钢中，形成了高密度的纳米析出相，尺寸较大的Cr2O3和Cr2MnO4析出相。
　　(3) Y/Ti=0.42的ODS钢中纳米尺度的析出相密度最大，平均尺寸最小;其次是Y/Ti=0.14和无Ti的ODS钢;Y/Ti=0.989的ODS钢中纳米析出相的密度最低，平均尺寸最大。
　　(4)三种含Ti ODS钢的维氏硬度值大致相近，说明Y/Ti原子比例不会显著地改变材料的维氏硬度。无Ti的ODS钢维氏硬度要低于含Ti ODS钢。
　　(5)综合比较三种含Ti的ODS钢抗拉强度和延伸率，Y/Ti=0.42的ODS钢综合强韧性能最佳，Y/Ti=0.14次之，而Y/Ti=0.989较低。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 核聚变堆对结构材料的影响及要求

1．2．1 聚变反应堆发展现状简介

1．2．2 核聚变反应对第一壁结构材料产生的影响

1．3 抗辐照损伤机制

1．4 纳米结构氧化物弥散强化钢发展历程

1．4．1 主要的抗辐照合金简介及对比

1．4．2 纳米结构ODS钢的形成及研究现状

1．4．3 纳米结构ODS钢的强化机制

1．5 纳米结构ODS钢的成分及特征微观结构

1．5．1 纳米结构ODS钢的成分

1．5．2 纳米结构ODS钢的特征微观结构

1．6 纳米结构ODS钢的制备工艺

1．6．1 机械合金化(Mechanical alloying简写为MA)

1．6．2 热等静压(Hot Isostatic Pressing简写为HIP)

1．7 本文研究内容

第2章 实验方法

2．1 实验流程及材料

2．2 9Cr-ODS钢样品的制备方法

2．2．1 机械合金化的设备及参数设定

2．2．2 热等静压成型工艺及参数设定

2．3 9Cr-ODS钢样品微观组织的表征方法

2．3．1 透射电子显微镜(TEM)分析

2．3．2 扫描透射电镜(STEM)分析

2．3．3 高分辨透射电镜(HRTEM)分析

2．3．4 背散射电子衍射分析(EBSD)分析

2．4 材料力学性能测试

2．4．1 密度测试及致密度计算

2．4．2 硬度测试

2．4．3 拉伸测试

第3章 纳米结构9Cr-ODS钢的微观结构分析

3．1 引言

3．2 晶粒尺寸和取向分析及对比

3．3 不同Y／Ti含量比的纳米结构9Cr-ODS钢中的析出相

3．3．1 无Ti纳米结构9Cr-ODS钢中的析出相

3．3．2 Y／Ti=0．14纳米结构9Cr-ODS钢中的析出相

3．3．3 Y／Ti=0．42纳米结构9Cr-ODS钢中的析出相

3．3．4 Y／Ti=0．989纳米结构9Cr-ODS钢中的析出相

3．4 不同Y／Ti含量比对9Cr-ODS钢中纳米析出相的影响

3．5 本章小结

第4章 纳米结构9Cr-ODS钢的力学性能

4．1 引言

4．2 样品致密度分析

4．3 硬度分析

4．4 抗拉强度和塑性分析

4．5 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢