模拟核电环境对SA508--Ⅲ钢断裂韧性及断裂行为影响机理

摘要

核电是高效、环保、可持续发展的能源。近年来随着中国用电量不断增加，核电在中国能源供应上已经占据越来越重要的地位。SA508-Ⅲ低合金钢是一种高强度钢，以其优良的综合力学性能被作为核反应堆压力容器安全端用材。由于核电站压力容器为压水堆核电站不可更换的大型关键部件，不仅高温高压服役环境易造成其损伤，而且面临地震、海啸等安全隐患，将严重影响核电站的安全运行。基于核电站高安全性和高可靠性的运行要求，预测核电材料在服役条件下的寿命具有非常重要的意义。随着中国核电发展及核电设备的国产化，评价核电安全端用材在核电站服役环境下的断裂韧性及建立客观的材料韧性指标成为迫在眉睫的要务。本文以国产SA508-Ⅲ钢为研究对象，采用J积分的方法系统的研究了模拟压水堆核电站一回路服役环境下（氢、应变速率和温度）钢的断裂韧性及断裂行为，借助光学显微镜、扫描电子电镜和透射电子电镜探讨了SA508-Ⅲ钢断裂机制及氢脆机理，为核电站运营环境提供安全可靠的理论依据。 研究了钢的断裂韧性随氢含量的变化规律，以及钢的断裂机理与氢之间的对应关系。研究发现，随氢含量增加，钢的断裂韧性降低。当氢含量超过5.60ppm时，断裂韧性显著降低，断裂方式由纯微孔聚集型断裂转变为类似准解理加韧窝复合型断裂。当氢含量达到8.70ppm时，其断裂韧性降为311.70kJ/m2，其韧性损失达31.80％。由于碳化物为氢的强陷阱，在三向应力诱导下氢富集于碳化物和基体界面处，氢压达到临界值时，则在此处形成空洞，加速了裂纹扩展，从而导致钢的断裂韧性降低。本研究得到了SA508-Ⅲ钢断裂韧性(JQ，kJ/m2)与氢含量(CH，ppm)之间的定量关系式，即为:JQ=-88.6expCH/8+560.2. 研究了不同应变速率下未充氢与充氢SA508-Ⅲ钢的断裂韧性变化规律，以及应变速率对氢脆敏感性的影响。研究发现，随载荷速率降低，SA508-Ⅲ钢的断裂韧性降低，且充氢SA508-Ⅲ钢断裂韧性损失和氢脆敏感性均增加。随载荷速率降低，SA508-Ⅲ钢主裂纹沿碳化物与基体的界面启裂和扩展时间增加，进而生成了更多裂纹，导致钢的断裂韧性降低。充氢钢中的氢能够跟随可动位错迁移并富集在碳化物和基体界面处，使界面处的氢浓度增加、氢压增强，加速了裂纹扩展，成为钢的断裂韧性损失增加的主要原因。此外，钢的氢脆敏感性主要取决于氢与位错的相互作用，当应变速率低于5.21×10-3s-1时，柯氏氢气团随可动位错一同运动，位错可将氢传递到碳化物与基体界面处，造成局部氢浓度升高，形成氢致裂纹，裂纹扩展进入铁素体基体内造成类似准解理断裂，氢脆敏感性增加。当应变速率高于5.21×10-3s-1时，柯氏氢气团的迁移速率逐渐跟不上位错的滑移速率，位错携带到碳化物周围的氢减少，故氢致脆性敏感性减弱。 研究了SA508-Ⅲ钢断裂韧性随温度的变化规律，探讨了温度对钢断裂行为影响及作用机制。研究表明，SA508-Ⅲ钢的断裂韧性随温度增加先降低后升高。高于260℃，SA508-Ⅲ钢在一定应变速率下，其内部组织演变由动态回复转变为动态应变时效(Dynamic Strain Aging;DSA)，DSA的发生有效提高了位错密度，减小了位错胞尺寸，提高了钢的变形抗力，增强了对裂纹尖端扩展的阻碍作用，因此提高了钢的断裂韧性。同时在应力和温度的共同作用下，钢中析出了细小碳化物，由此显著提高了钢的变形抗力，钢的断裂韧性增加。

目录

声明

摘要

1．1．1世界核电发展

1．1．2我国核电发展

1．1．3核电的重要意义

1．2核电压力容器用材料

1．2．1核电压力容器概述

1．2．2压力容器用钢发展简介

1．2．3合金元素的作用

1．3氢对金属材料性能的影响

1．3．1核电运营环境中的氢

1．3．2氢进入金属的过程

1．3．3压力容器用材料氢损伤研究现状

1．4应变速率对金属材料氢脆的影响

1．4．1位错对氢的迁移行为

1．4．2位错滑移引起的氢富集

1．5温度对金属材料力学性能影响

1．6材料的断裂韧性

1．6．1断裂韧性简介

1．6．2 J积分定义

1．6．3 J积分的性质

1．6．4 J积分测试标准

1．6．5 J积分的测试方法

1．6．6断裂韧性的影晌因素

1．7课题来源、研究意义及主要研究内容

第2章试验材料及研究方法

2．1试验材料

2．2试验条件及预处理方法

2．2．1热充氢技术及充氢工艺

2．2．2加热设备

2．3力学性能的评价

2．3．1断裂韧性的评价

2．3．2拉伸性能的评价

2．4显微组织、断口形貌观察与分析

第3章氢含量对SA508-Ⅲ钢断裂韧性及断裂行为的影响

3．1引言

3．2研究方法

3．3氢含量对SA508-Ⅲ钢断裂韧性的影响

3．3．1显微组织特征

3．3．2钢断裂韧性的变化

3．3．3断口形貌特征

3．3．4氢对钢断裂韧性的影晌机理

3．4氢对钢拉伸性能及断裂行为的影响

3．4．1钢的拉伸性能

3．4．2钢的断口特征

3．4．3氢与位错的交互作用形式

3．4．4氢对钢强度的影响

3．4．5氢对钢塑性及断裂行为的影响

3．5不同氢含量对钢拉伸变形行为的影响

3．5．1不同氢含量下钢的拉伸性能

3．5．2不同氢含量下钢的拉伸断口形貌

3．5．3不同氢含量对钢屈服强度的影响

3．5．4不同氢含量对钢氢脆敏感性的影晌

3．6本章小结

第4章SA508-Ⅲ钢氢脆的应变速率敏感性

4．1引言

4．2研究方法

4．3．1断裂韧性的变化

4．3．2断口形貌特征

4．3．3载荷速率影响钢断裂韧性机理

4．4应变速率对充氢钢断裂韧性及断裂行为的影响

4．4．1断裂韧性变化

4．4．2断口形貌特征

4．4．3氢对钢断裂韧性影响机理

4．5．1钢的拉伸性能

4．5．2应变速率和氢脆因子之间的关系

4．5．3不同应变速率下充氢SA508-Ⅲ钢断口形貌

4．5．4临界应变速率

4．5．5 SA508-Ⅲ钢的氢脆机理

4．6本章小结

第5章温度对SA508-Ⅲ钢断裂韧性及断裂行为的影响

5．1引言

5．2研究方法

5．3．1断裂韧性的变化

5．3．2断口形貌特征

5．4温度对SA508-Ⅲ变形行为的影响

5．4．1不同温度下的拉伸性能

5．4．2拉伸断口形貌

5．5温度影响SA508-Ⅲ钢断裂行为及裂纹扩展机理

5．5．1动态回复对钢断裂行为及裂纹扩展的影晌

5．5．2 DSA对钢断裂行为和裂纹扩展的影响

5．5．3碳化物对钢断裂行为和裂纹扩展的影响

5．6本章小结

第6章结论

参考文献

创新点

攻读博士学位期间发表及待发表的学术论文

致谢