分享：15-15Ti奧氏體不銹鋼的蠕變性能
丁 尋1,黃 晨2,李榮生1
(1.中國航空制造技術研究院,北京 100024;2.中國原子能科學研究院,北京 102413)
摘 要:在600,650,700 ℃下對國產15-15Ti不銹鋼進行不同應力水平的蠕變試驗,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。結果表明:在不同溫度和應力下,15-15Ti不銹鋼的蠕變曲線可以分為減速蠕變、穩態蠕變和加速變三個階段,穩態蠕變階段的時間占整個蠕變的90%以上;隨著應力的降低,穩態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 ℃下的應力指數分別為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為穿晶斷裂,長時蠕變斷裂性質為沿晶斷裂,穿晶斷裂呈現韌性斷裂特征,沿晶斷裂呈現明顯的晶界空洞損傷機制。
關鍵詞: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 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2020)07-0070-04
0 引 言
在能源需求與環境保護的雙重壓力下,為保障國家社會經濟的可持續發展,新一代核能發電系統的研發顯得尤其重要。隨著世界核能技術的不斷發展,鈉冷快堆因具有安全性及經濟性優勢而成為我國發展第四代核能系統的首選堆型之一?？於阎械娜剂习鼩?是 堆 芯 中 最 重 要 的 結 構,其 服 役 環 境 為550~750 ℃、100~180dpa的高溫、強中子輻照環境,這給包殼材料的性能提出了新的挑戰。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定性最好,可耐高達200dpa的中子輻照,但因具有高溫蠕變脆性而應用范圍受限[1];ODS鋼的高溫蠕變性能較好,但制備工藝復雜,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、輻照穩定性、耐腐蝕性、與燃料的相容性、焊接性能和加工性 能 等 優 點,成 為 重 點 發 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定性優于改進型316Ti不銹鋼的,因此15-15Ti不銹鋼是最有
發展前 景 的 先 進 快 堆 包 殼 材 料。目 前,國 內 有 關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15-15Ti不銹鋼進行了不同應力水平的蠕變試驗,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計和應用提供試驗依據。
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,晶粒內有大量孿晶,晶界處分布著少量形狀不規則的 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,不同溫度下的應力如表2所示。蠕變試驗結束后,用 LeicaDM6000M型 光 學 顯 微 鏡 和 ZEISSULTRA55型 掃 描 電 鏡(SEM)觀察蠕變斷口形貌。
2 試驗結果與討論
2.1 蠕變性能
由圖2可知:不同溫度和應力下,15-15Ti不銹鋼的蠕變曲線可以分為減速蠕變、穩態蠕變和加速蠕變三個階段,穩態蠕變階段的時間占整個蠕變的90%以上;隨著應力的降低,15-15Ti不銹鋼的蠕變穩態階段越來越明顯,蠕變壽命延長,蠕變伸長率減小。根據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],即蠕變變形是在應力和原子熱激活的聯合作用下發生的,是由溫度和應力兩個因素共同決定的,表達式為
式中:ε為穩態蠕變速率;σ 為應力;n 為應力指數;A 為與材料性能和溫度有關的常數。
將式(1)兩邊取對數,可見lgε 和lgσ 呈線性關系,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 ℃下的穩態蠕變速率與應力 的 關 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)沉淀相嚴重阻礙位錯運動,從而導致其應力指數較大。同時,由于位錯借助于外應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力就越小,因此隨著溫度的升高,其應力指數降低。
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態蠕變速率與應力的關系曲線較 低,斷口表面分布著大量韌窩并被一層氧化膜覆蓋;斷口中心氧化嚴重,韌窩較淺,可觀察到沿晶裂紋,呈現出明顯的沿晶斷裂特征;斷口邊緣韌窩較深而密,沒有裂紋產生,氧化程度較輕,呈現韌性斷裂特征。由圖4(d)~圖4(f)可知:650 ℃/330 MPa試驗條件下,蠕變斷口出現明顯頸縮現象,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由穿晶斷裂變為沿晶斷裂。
