AL6XN超级奥氏钢的动态应变时效、低周疲劳及蠕变行为

摘要

超临界水冷堆的燃料包壳材料需要在高温下(500～650℃)仍然具有较高的韧性、强度，优良的抗高温蠕变、抗疲劳性能以及良好的抗腐蚀、抗辐照能力。具有高强度、高韧性、优良的抗腐蚀和抗氧化性能的AL6XN超级奥氏体钢作为燃料包壳的候选材料，但目前对该奥氏体钢的高温力学行为研究不多。全文以AL6XN超级奥氏体钢为研究对象，在超临界水冷堆的温度工况条件下，进行高温拉伸的应变时效、高温低周疲劳、高温蝙变及时效后的冲击试验，围绕材料高温力学行为进行研究，并采用扫描电子显微镜及透射电子显微镜对其形变前后的材料微结构进行深入分析，讨论材料微结构与高温力学行为的关系。
　　 实验结果表明：AL6XN奥氏体钢在高温(500～700℃)拉伸及高温(300及600℃)低周疲劳试验过程中均表现出一系列特定的力学行为。拉伸以及低周疲劳的应力-应变曲线均呈现明显的上下波动锯齿型，应力在应变速率升高的过程中反而降低，即出现负的应变速率敏感性。以上宏观现象均表明AL6XN奥氏体钢在高温拉伸及疲劳试验过程中出现明显的动态应变时效(DSA)效应。由于受到DSA的影响拉伸曲线的屈服强度随温度升高而表现出平台趋势，以及疲劳应力出现明显的初始硬化现象。透射电镜观察表明：AL6XN奥氏体钢出现DSA效应时，位错沿滑移面呈平行队列排布。主要的原因是由于在高温变形过程中溶质原子团向位错线扩散、团聚并对可动位错产生钉扎或拖拽作用，导致位错难以改变滑移面进行交滑移，更倾向于沿一个滑移面运动形成位错队列。因此亚结构分析得到由于受到溶质原子团的钉扎或拖拽，位错可动性降低，拉伸过程中出现屈服强度随温度升高而保持稳定以及在高温低周疲劳试验中出现初始循环硬化现象。依据应力指数（m+β）、激活能(Q)与临界应变量（εc）的关系，在500～650℃温度范围内推导出应力指数及激活能分别为2.4及304 kJ/mol，其值较高。可以推断出在AL6XN奥氏体钢中对位错产生交互作用的溶质原子类型主要为Cr、Mo等置换原子。
　　 AL6XN奥氏体钢在120～260 MPa的应力及600-750℃下进行蠕变试验，结果表明：该奥氏体钢具有较低的蠕变速率(10-1l～10-7 S-1)以及较高的蠕变指数(n-5)和蠕变激活能(Q=395.4 kJ/mol)，符合幂指数流变方程失效机制，根据以上结果推断溶质原子对位错的运动产生交互作用。透射电镜观察表明奥氏体基体中分布大量卷曲状位错，说明粘滞位错滑移是该材料由速率控制蠕变变形中的重要形变机制。对经过高温(500-750℃)长时间（3600 h)蠕变样品进行微结构分析表明，AL6XN奥氏体钢存在复杂的析出行为。样品在较低温度(≤550℃)下经过长时间蠕变，没有观察到析出物。温度升高到600℃时，晶界首先出现析出物。通过选区衍射分析表明该析出物为M23C6碳化物。之后当温度升高到650-750℃之间，奥氏体晶粒内部以及孪晶界也出现大量析出物。其中包括M23C6、M6C碳化物、σ相及Laves相金属间化合物。由于在晶界处存在大量脆性析出物，显著降低AL6XN奥氏体钢韧性并降低高温蠕变寿命。并且长时间高温时效后，晶界处出现大量析出物，显著降低材料的冲击韧性同时降低低温冲击功，并出现明显的沿晶断口。
　　 以上试验结果表明：AL6XN奥氏体钢由于存在溶质原子与位错的交互作用，使得AL6XN奥氏体钢具有优良的高温拉伸性能、抗疲劳性能及高温蠕变抗力。但在600℃以上高温长时间服役条件下，由于脆性相的析出情况严重，而导致材料脆性显著增大、冲击韧性降低，因此恶化AL6XN奥氏体钢的高温力学性能。