丁 尋1,黃 晨2,李榮生1
(1.中國航空制造技術(shù)研究院,北京 100024;2.中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)
摘 要:在600,650,700 ℃下對國產(chǎn)15-15Ti不銹鋼進行不同應(yīng)力水平的蠕變試驗,觀察了蠕變斷口形貌,研究了該鋼的蠕變變形機理與斷裂機理。結(jié)果表明:在不同溫度和應(yīng)力下,15-15Ti不銹鋼的蠕變曲線可以分為減速蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速變?nèi)齻€階段,穩(wěn)態(tài)蠕變階段的時間占整個蠕變的90%以上;隨著應(yīng)力的降低,穩(wěn)態(tài)蠕變階段越來越明顯,蠕變壽命延長,蠕變伸長率減小;15-15Ti不銹鋼在600,650 ,700 ℃下的應(yīng)力指數(shù)分別為14.3,8.2,4.9,蠕變變形機理為位錯蠕變;15-15Ti不銹鋼的短時蠕變斷裂性質(zhì)為穿晶斷裂,長時蠕變斷裂性質(zhì)為沿晶斷裂,穿晶斷裂呈現(xiàn)韌性斷裂特征,沿晶斷裂呈現(xiàn)明顯的晶界空洞損傷機制。
關(guān)鍵詞:15-15Ti不銹鋼;蠕變斷口形貌;位錯蠕變;沿晶斷裂;穿晶斷裂
中圖分類號:TG111.8 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1000-3738(2020)07-0070-04
0 引 言
在能源需求與環(huán)境保護的雙重壓力下,為保障國家社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,新一代核能發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)顯得尤其重要。隨著世界核能技術(shù)的不斷發(fā)展,鈉冷快堆因具有安全性及經(jīng)濟性優(yōu)勢而成為我國發(fā)展第四代核能系統(tǒng)的首選堆型之一?？於阎械娜剂习鼩?是 堆 芯 中 最 重 要 的 結(jié) 構(gòu),其 服 役 環(huán) 境 為550~750 ℃、100~180dpa的高溫、強中子輻照環(huán)境,這給包殼材料的性能提出了新的挑戰(zhàn)。目前,常用的快堆包殼候選材料主要有奧氏體不銹鋼、鐵素體/馬氏體鋼和氧化物彌散強化鋼(ODS鋼),其中:鐵素體/馬氏體鋼的耐輻照穩(wěn)定性最好,可耐高達(dá)200dpa的中子輻照,但因具有高溫蠕變脆性而應(yīng)用范圍受限[1];ODS鋼的高溫蠕變性能較好,但制備工藝復(fù)雜,焊接性能與疲勞性能方面的研究尚不充分[2-3]
;奧氏體不銹鋼因具有良好的高溫蠕變性能、輻照穩(wěn)定性、耐腐蝕性、與燃料的相容性、焊接性能和加工性 能 等 優(yōu) 點,成 為 重 點 發(fā) 展 的 快 堆 包 殼 材料[4]。目前,常用的快堆包殼奧氏體不銹鋼包括改進型 316Ti不 銹 鋼 和 15-15Ti不 銹 鋼。 其 中 15-15Ti不銹鋼的高溫蠕變性能和輻照穩(wěn)定性優(yōu)于改進型316Ti不銹鋼的,因此15-15Ti不銹鋼是最有
發(fā)展前 景 的 先 進 快 堆 包 殼 材 料。目 前,國 內(nèi) 有 關(guān)15-15Ti不銹鋼性能方面的研究較少,尤其是蠕變性能方面的研究更少。因此,作者分別在600,650,700 ℃下對國產(chǎn)15-15Ti不銹鋼進行了不同應(yīng)力水平的蠕變試驗,對其蠕變變形機理與斷裂機理進行了分析,為奧氏體不銹鋼快堆包殼材料的設(shè)計和應(yīng)用提供試驗依據(jù)。
1 試樣制備與試驗方法
試驗材料為寶鋼研制的15-15Ti不銹鋼棒,冷加工量約為20%,其化學(xué)成分見表1,顯微組織如圖1所示,可知,15-15Ti不銹鋼的原始顯微組織為變形奧氏體組織,以及少量一次粗大的 Ti(C,N)相和彌散分布的 Ti(C,N)沉淀相,晶粒內(nèi)有大量孿晶,晶界處分布著少量形狀不規(guī)則的 M23C6 相。
按照 GB/T228.1-2010,在試驗鋼棒材上加工出尺寸為?5mm×25mm 的蠕變試樣,按照 GB/T2039-1997,在 600,650,700 ℃ 下分別選取 4~5個應(yīng)力水平,采用 RWS50型電子高溫蠕變持久強度試驗機進行恒載荷蠕變試驗,不同溫度下的應(yīng)力如表2所示。蠕變試驗結(jié)束后,用 LeicaDM6000M型 光 學(xué) 顯 微 鏡 和 ZEISSULTRA55型 掃 描 電 鏡(SEM)觀察蠕變斷口形貌。
2 試驗結(jié)果與討論
2.1 蠕變性能
由圖2可知:不同溫度和應(yīng)力下,15-15Ti不銹鋼的蠕變曲線可以分為減速蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變?nèi)齻€階段,穩(wěn)態(tài)蠕變階段的時間占整個蠕變的90%以上;隨著應(yīng)力的降低,15-15Ti不銹鋼的蠕變穩(wěn)態(tài)階段越來越明顯,蠕變壽命延長,蠕變伸長率減小。根據(jù)15-15Ti不 銹 鋼 蠕 變 曲 線 的 特 點,采 用Norton公式描述其蠕變過程[5],即蠕變變形是在應(yīng)力和原子熱激活的聯(lián)合作用下發(fā)生的,是由溫度和應(yīng)力兩個因素共同決定的,表達(dá)式為
式中:ε為穩(wěn)態(tài)蠕變速率;σ 為應(yīng)力;n 為應(yīng)力指數(shù);A 為與材料性能和溫度有關(guān)的常數(shù)。
將式(1)兩邊取對數(shù),可見lgε 和lgσ 呈線性關(guān)系,其直線的斜率即為n。通?？梢岳胣 來分析金屬材料的蠕變變形機理。對于純金屬和簡單的固溶合金,當(dāng)n 為1時,其蠕變變形機理為擴散蠕變;n 為2時,蠕變變形機理為晶界滑動;n 為3~5時,蠕變變形機理為位錯蠕變。對于奧氏體不銹鋼,當(dāng)n 為3~12 時,其 蠕 變 變 形 機 理 為 位 錯 蠕 變[6-7]。
15-15Ti不銹鋼在600,650,700 ℃下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力 的 關(guān) 系 曲 線 如 圖 3 所 示。擬 合 得 到 15-15Ti不銹鋼在600,650 ,700 ℃的n 分別為14.3,8.2,4.9,可知15-15Ti不銹鋼的蠕變變形機理是位錯蠕變,即在蠕變變形過程中,該鋼中的位錯滑移受到較大的阻力,需要更大的切應(yīng)力才能使位錯重新運動和增殖。15-15Ti不銹鋼中彌散的 Ti(C,N)沉淀相嚴(yán)重阻礙位錯運動,從而導(dǎo)致其應(yīng)力指數(shù)較大。同時,由于位錯借助于外應(yīng)力和熱激活的共同作用越過障礙而滑移,溫度越高,熱激活過程越活躍,克服障礙所需的外應(yīng)力就越小,因此隨著溫度的升高,其應(yīng)力指數(shù)降低。
2.2 蠕變斷口形貌
選取蠕變壽命為1912,62h,即600℃/300MPa和650 ℃/330 MPa試驗條件下的15-15Ti不銹鋼試樣,觀察其蠕變斷口形貌及斷口處縱截面形貌。由圖4(a)~圖4(c)可以看出:600 ℃/300 MPa試驗條件下,15-15Ti不銹鋼蠕變時的塑性變形程度圖3 15-15Ti不銹鋼在不同溫度下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系曲線較 低,斷口表面分布著大量韌窩并被一層氧化膜覆蓋;斷口中心氧化嚴(yán)重,韌窩較淺,可觀察到沿晶裂紋,呈現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂特征;斷口邊緣韌窩較深而密,沒有裂紋產(chǎn)生,氧化程度較輕,呈現(xiàn)韌性斷裂特征。由圖4(d)~圖4(f)可知:650 ℃/330 MPa試驗條件下,蠕變斷口出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象,塑性變形程
度較高,斷口表面氧化程度較低;斷口中心和斷口邊緣均分布著大量等軸韌窩,呈現(xiàn)穿晶斷裂特征。綜上可知,隨蠕變壽命延長,15-15Ti不銹鋼的蠕變斷裂性質(zhì)由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔选?/span>
由圖 5 可以看出,600 ℃/300 MPa試驗條 件下,蠕變斷口附近晶粒塑性變形程度較輕,晶界處存在較多的蠕變空洞。蠕變空洞在晶界處的 M23C6相和一次粗大 Ti(C,N)相上形核、長大,并最終導(dǎo)致蠕變斷裂;彌散分布的 Ti(C,N)沉淀相在蠕變變形過程中阻礙位錯運動,提高了蠕變抗力。同時,在蠕變斷口縱截面上還觀察到少量楔型裂紋。研究表明,奧氏體不銹鋼在較高應(yīng)力下所形成的楔型裂紋會導(dǎo)致局部晶界分離,形成楔型裂紋損傷[8]
;但是試驗觀察到的15-15Ti不銹鋼蠕變斷口縱截面上的微裂紋前方的晶界處存在細(xì)小的蠕變空洞,使微裂紋呈鋸齒狀,這說明微裂紋是通過蠕變空洞合并連接形成的,因此15-15Ti不銹鋼的沿晶斷裂損傷機制為晶界空洞損傷。650 ℃/330MPa試驗條件下,蠕變斷口晶粒變形程度較大,第二相粒子處存在蠕變空洞,蠕變空洞長大、連接而導(dǎo)致蠕變斷裂,這說明當(dāng)應(yīng)力較大時,蠕變斷裂機制類似于常溫下的韌性斷裂。
3 結(jié) 論
(1)在不同溫度和應(yīng)力下,15-15Ti不銹鋼的蠕變曲線可以分為減速蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變?nèi)齻€階段,穩(wěn)態(tài)蠕變階段的時間占整個蠕變的90%以上;隨著應(yīng)力的降低,15-15Ti不銹鋼的蠕變穩(wěn)態(tài)階段越來越明顯,蠕變壽命延長,蠕變伸長率減小。
(2)15-15Ti不銹鋼在600,650,700℃下的應(yīng)力指數(shù)分別為14.3,8.2,4.9,蠕變變形機理為位錯蠕變;15-15Ti不銹鋼的短時蠕變斷裂性質(zhì)為穿晶斷裂,長時蠕變斷裂性質(zhì)為沿晶斷裂,穿晶斷裂呈現(xiàn)韌性斷裂特征,沿晶斷裂呈現(xiàn)明顯的晶界空洞損傷機制;晶界粗大的 M23C6 相和一次 Ti(C,N)相促進蠕變空洞的形核與長大,從而減弱其抵抗蠕變變形的能力。