摘 要:采用(yòng)高溫原位疲勞試驗機對氧化物(wù)彌散強化(ODS)鋼闆進行高溫蠕變試驗,分(fēn)析了表面粗糙 度對 ODS鋼闆高溫蠕變性能(néng)的影響。結果表明:随着表面粗糙度的減小(xiǎo),ODS鋼闆的穩态蠕變速率減 小(xiǎo),蠕變壽命延長(cháng),試驗後鋼闆表面裂紋數量減少;ODS鋼闆表面裂紋是由其表面縱向分(fēn)布的劃痕與橫 向分(fēn)布的滑移線(xiàn)相互作(zuò)用(yòng)形成的,随着時間的延長(cháng),裂紋擴展、相互連接,最終導緻鋼闆斷裂。

關鍵詞:表面粗糙度;ODS鋼;高溫蠕變

中(zhōng)圖分(fēn)類号:TL341 文(wén)獻标志(zhì)碼:A 文(wén)章編号:1001-4012(2022)01-0001-04

氧 化 物(wù) 彌 散 強 化 (Oxide DispersionStrengthened,ODS)鋼是一種新(xīn)型的結構材料,因 其具(jù)有(yǒu)優異的高溫性能(néng)和抗輻照性能(néng),常用(yòng)于反應 堆結構材料[1-3],尤其在替換锆合金作(zuò)為(wèi)包殼材料方 面,ODS 鋼 的 使 用(yòng) 溫 度 (500~700 ℃)比 锆 合 金 (280~320 ℃)的高。在反應堆發生失水事故時,锆 合金包殼會與水蒸氣發生水解反應産(chǎn)生大量氫氣, 造成氫氣爆炸事故,而 ODS鋼不會與水蒸氣反應生 成氫氣,可(kě)以避免該類事故的發生。因此,ODS鋼 在核反應堆條件下的應用(yòng)比锆合金更有(yǒu)優勢。

高溫蠕變性能(néng)是 ODS鋼在核反應堆條件下的 首要力學(xué)性能(néng)評價指标[4]。SEILS等[5]研究了溫度 對奧氏體(tǐ)、鐵素體(tǐ) ODS鋼蠕變性能(néng)的影響,結果表 明,當溫度高于500℃時,随着溫度的升高,奧氏體(tǐ)、 鐵 素 體(tǐ) ODS 鋼 的 抗 蠕 變 性 能(néng) 逐 漸 減 弱。 JAUMIER等[6]比 較 了 含 9% (質(zhì) 量 分(fēn) 數)和 14% (質(zhì)量分(fēn)數)鉻的 ODS鋼管的抗蠕變性能(néng),結果表明 含14%鉻 ODS鋼管軸向上的抗蠕變性能(néng)要優于含 9%鉻 ODS鋼管。目前,關于表面粗糙度對 ODS鋼 高溫蠕變性能(néng)影響的研究報道較少。

筆(bǐ)者采用(yòng)高溫原位試驗機對 ODS鋼闆進行高 溫蠕變試驗,分(fēn)析了表面粗糙度對 ODS鋼高溫蠕變 性能(néng)的影響,以期為(wèi) ODS鋼在核反應堆條件下的應用(yòng)提供參考依據。

1 試驗材料與試驗方法

試驗材料為(wèi) ODS鋼,其主要成分(fēn)(質(zhì)量分(fēn)數)分(fēn) 别為(wèi)1%Fe,9%Cr,2%W,0.2%Ti,0.13%C,0.35% Y2O3。ODS鋼闆生産(chǎn)工(gōng)藝為(wèi):(1)将各金屬粉末和 Y2O3 顆粒 在 球 磨 機 中(zhōng) 進 行 球 磨,球 磨 機 轉 速 為(wèi) 200r/min,球磨時間為(wèi)50h;(2)将球磨後得到的混 合粉末壓制後在1100 ℃,70MPa條件下進行真空 燒結,燒結時間為(wèi)2h;(3)對燒結後的材料進行包 套處理(lǐ),并在1150 ℃下進行鍛造;(4)對鍛造後的 材料進行多(duō)道次冷軋,經退火(退火溫度為(wèi)750 ℃, 保溫時間為(wèi)1h,冷卻方式為(wèi)随爐冷卻)、淬火(淬火 溫度為(wèi)1050 ℃,保溫時間為(wèi)0.5h,冷卻方式為(wèi)水 冷)、回火(回火溫度為(wèi)750 ℃,保溫時間為(wèi)1h,冷 卻方式為(wèi)空冷)處理(lǐ)後得到 ODS鋼闆。在 ODS鋼 闆上截取蠕變試樣,其尺寸如圖1所示。對試樣表 面分(fēn)别進行銑削、砂紙打磨和抛光處理(lǐ)。

依據ISO9001标準,将 ODS鋼蠕變試樣與标 準表面粗糙度比較樣塊進行比較。經銑削加工(gōng)後的 試樣表面粗糙度為(wèi)0.800μm(記為(wèi)銑削試樣),采用(yòng) 砂紙對銑過的試樣進行逐級打磨後,試樣表面粗糙 度為(wèi)0.025μm(記為(wèi)打磨試樣),再用(yòng)抛光機進行抛 光後,試 樣 表 面 粗 糙 度 為(wèi) 0.012μm(記 為(wèi) 抛 光 試 樣)。

在800 ℃,80MPa條件下,采用(yòng)日本島津公(gōng)司 生産(chǎn)的 SEM-SERVO 型高溫原位疲勞試驗機對不 同表面粗糙度的 ODS鋼闆蠕變試樣進行高溫蠕變 試驗,采用(yòng)原位掃描電(diàn)鏡(SEM)對高溫蠕變過程中(zhōng) 試樣表面的微觀形貌進行觀察。

2 結果與讨論

2.1 不同試樣的高溫蠕變曲線(xiàn)

由圖2可(kě)見:抛光試樣的高溫蠕變過程可(kě)分(fēn)為(wèi) 三個階段,第一階段為(wèi)減速蠕變階段,第二階段為(wèi)恒 速蠕變階段,第三階段為(wèi)加速蠕變階段[7] ;打磨試樣 的高溫蠕變過程沒有(yǒu)明顯的第一階段,僅存在第二、三階段;銑削試樣的高溫蠕變過程也僅存在第二、三 階段,且第二階段時間較短。

表1是不同試樣在800℃,80MPa條件下的穩 态蠕變速率和蠕變壽命,可(kě)見随着試樣表面粗糙度 的減小(xiǎo),其穩态蠕變速率顯著減小(xiǎo),蠕變壽命延長(cháng)。

2.2 不同試樣高溫蠕變過程中(zhōng)裂紋的萌生及擴展

由圖3可(kě)見:當銑削試樣高溫蠕變試驗進行至0.52h時(蠕變第三階段),其表面出現大量裂紋,這 是由于試樣表面粗糙度較大,表面缺陷較多(duō),試樣在 高溫和應力作(zuò)用(yòng)下産(chǎn)生裂紋;當高溫蠕變試驗進行 至0.55h時,銑削試樣被拉斷,斷口表面不平整。

由圖4可(kě)見:當打磨試樣蠕變試驗進行至1.7h 時(蠕變第三階段),其表面出現了裂紋,裂紋數量較 處于同一蠕變階段銑削試樣的少;當打磨試樣蠕變試 驗進行至1.8h時,表面裂紋擴展并産(chǎn)生新(xīn)的裂紋,但 裂紋數量仍較處于同一階段銑削試樣的少;當蠕變試 驗進行至1.87h時,試樣被拉斷,斷口表面不平整。

由圖5可(kě)見:當抛光試樣蠕變試驗進行至5.2h 時(蠕變第三階段),表面開始出現裂紋,但裂紋數量 較處于同一蠕變階段打磨試樣的少;當抛光試樣蠕 變試驗進行至5.5h(蠕變第三階段)時,抛光試樣表 面裂紋明顯擴展并産(chǎn)生新(xīn)的裂紋,但裂紋數量仍少 于同一蠕變階段打磨試樣的;當抛光試樣蠕變試驗 進行至 5.71h 時,抛 光 試 樣 被 拉 斷,斷 口 表 面 不 平整。

綜上分(fēn)析可(kě)知,随着試樣表面粗糙度的增大,試 樣表面裂紋明顯增多(duō),且試樣的蠕變壽命大大降低, 這說明粗糙度較大引起的表面裂紋增多(duō)是導緻試樣 蠕變斷裂的原因。

2.3 不同試樣表面及斷口的微觀形貌

由圖6a),c),e)可(kě)見:銑削試樣遠(yuǎn)離斷口表面 存在大量縱 向 分(fēn) 布 的 劃 痕,這 些 劃 痕 與 橫 向 分(fēn) 布 的滑移線(xiàn)交 割 形 成 裂 紋;打 磨 試 樣 遠(yuǎn) 離 斷 口 表 面 縱向分(fēn)布的劃痕較少,表面裂紋數量較少;抛光試 樣遠(yuǎn)離斷口 表 面 幾 乎 沒 有(yǒu) 縱 向 分(fēn) 布 的 劃 痕,表 面 裂紋數量 較 少。因 此,随 着 試 樣 表 面 粗 糙 度 的 減 小(xiǎo),試樣遠(yuǎn)離 斷 口 表 面 縱 向 分(fēn) 布 的 劃 痕 數 量 逐 漸 減少、甚至 消 失,表 面 裂 紋 數 量 逐 漸 減 少。 由 圖 6b),d),f)可(kě)見:試樣斷口附近表面裂紋呈多(duō)源萌 生、裂紋相互貫通的形貌特征,這是斷口不平整的 主要原因。

3 結論

(1) 随 着 ODS 鋼 闆 表 面 粗 糙 度 的 減 小(xiǎo) (由 00.12mm減小(xiǎo)至0.800μm),其穩态蠕變速率減小(xiǎo)(由 14.6×10 -4s -1 減小(xiǎo)至33.5×10 -6s -1),蠕變壽命延長(cháng)(由 05.5h延長(cháng)至57.1h),ODS鋼闆表面裂紋數量減少。

(2)ODS鋼闆表面裂紋是由其表面縱向分(fēn)布 的劃痕與橫向分(fēn)布的滑移線(xiàn)相互作(zuò)用(yòng)形成的,裂紋 擴展、相互連接,最終導緻鋼闆斷裂。

參考文(wén)獻:

[1] 王東偉,戰東平,屈樂欣,等.燒結溫度對9CrODS鋼 力學(xué)性 能(néng) 的 影 響 研 究 [J].金 屬 功 能(néng) 材 料,2020,27 (3):11-17.

[2] 彭豔豔,餘黎明,劉永長(cháng),等.650 ℃時效對9CrODS 鋼顯微 組 織 和 性 能(néng) 的 影 響 [J].金 屬 學(xué) 報,2020,56 (8):1075-1083.

[3] CHAUHANA,STRAßBERGERL,FÜHRERU,etal. Creep-fatigueinteractioninabimodal12CrODSsteel [J].InternationalJournalofFatigue,2017,102:92-111.

[4] 田耘,柳光祖,單秉權,等.快堆包殼用(yòng) ODS鐵素體(tǐ)合 金的蠕變性能(néng)[J].粉末冶金技(jì )術,2001,19(1):16-19.

[5] SEILSS,KAUFFMANN A,HINRICHS F,etal. Temperaturedependentstrengtheningcontributions inausteniticandferritic ODSsteels[J].Materials ScienceandEngineering:A,2020,786:139452.

[6] JAUMIERT,VINCENTS,VINCENTL,etal.Creep anddamageanisotropiesof9%Crand14%CrODS steelcladding[J].JournalofNuclearMaterials,2019, 518:274-286.

[7] 周麗,殷鳳仕,孫曉峰.一種鑄造鎳基高溫合金的高溫 蠕變斷裂行為(wèi)[J].山(shān)東理(lǐ)工(gōng)大學(xué)學(xué)報(自然科(kē)學(xué)版), 2003,17(4):36-39.

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