Ta含量对CLAM钢力学性能影响研究

【摘要】中国低活化马氏体(CLAM)钢具有低活化、抗辐照肿胀、优良的力学和热物理性能以及成熟的工业基础,被选为中国ITER测试包层(TBM)首选结构材料。Ta作为CLAM钢关键的合金元素之一,对其性能有着重要的影响。本文基于理论和实验初步研究了Ta含量对CLAM钢拉伸和冲击性能的影响,从实验和理论模拟2个方面研究了断裂韧性评估方法,同时利用三维原子探针(3DAP)对富Ta相的原子分布特征进行了分析研究,这些结果可为后续CLAM钢Ta成分进一步优化提供依据。论文研究了Ta含量对CLAM钢拉伸和冲击性能的影响。制备了四种Ta含量分别为0.027wt%、0.078wt%、0.15wt%和0.78wt%的CLAM钢,分别命名为HEAT1009A-D。结果显示：HEAT1009A具有最高的抗拉强度可能是由于其基体中含有较多富Cr的M23C6相,HEAT1009B具有最低的韧脆转变温度(DBTT)以及较高上平台冲击吸收功(USE)可能是由于其具有细小的晶粒尺寸以及细小富Ta的MX相；HEAT1009D具有最高的USE和较低的DBTT可能是由于其具细小的晶粒以及最高的未溶富Ta的MX相；随着Ta含量从0.027wt%增加至0.18wt%,晶粒尺寸减小,富Cr的M23C6析出相逐渐减少,富Ta的MX相增多；当Ta含量超过0.15wt%时,常规热处理条件下,对细化晶粒的作用将不再明显；固溶度积与扩散动力学的模拟结果也证明了上述结果与分析。此外,开展了CLAM钢断裂韧性评估方法研究。利用单试样卸载柔度法完成了室温下CLAM钢断裂韧性的分析,其结果为417.9kJ/m2,与JLF-1相似；通过断面不规则维度分析,计算求得了断裂韧性,其值为454.6kJ/m2,与实验的结果相一致,实验和模拟的方法均可用于Ta含量对CLAM钢断裂韧性影响的研究中。为了进一步探究Ta含量和状态对CLAM钢性能的影响,开展了富Ta相在CLAM钢中的析出演化规律研究。冶炼制备了2种Ta含量分别为0.28wt%和0.84wt%的铸锭,命名为：HEAT1102A/B。在1200℃下分别进行1小时和2小时高温奥氏体化处理。在不同高温奥氏体化时间后,HEAT1102A中均未观察到未溶TaC颗粒,但HEAT1102B中发现大量未溶TaC颗粒；高温奥氏体化处理后的试样中均观察到δ-铁素体存在；与Thermo-calc、固溶度积和扩散动力学的模拟计算一致；对不同奥氏体化工艺后的试样进行760℃的回火处理,随着时间的延长,试样的析出物逐渐粗化,随着回火时间的延长,析出物在晶界板条界等区域聚集,HEAT1102A中析出物主要以富Cr相为主,HEAT1102B中析出物主要为富Ta相,可以初步得出,Ta的添加可以减缓Cr的析出；此外硬度也随着回火时间的延长而降低,HEAT1102B的硬度在回火1.5小时后便达到了稳定值,而HEAT1102A在回火500小时是仍未见硬度有稳定的趋势。此外,利用三维原子探针(3DAP)分析富Ta相在CLAM钢中的原子分布规律,研究结果表明：在富Ta相析出物区域,Ta、V和C的偏聚倾向强度较大,且偏聚的量较多；在界面区域,Cr、Ta、Si和C原子稍有偏聚,但是偏聚倾向强度不大。
【作者】李坤锋；
【导师】黄群英；李春京；
【作者基本信息】中国科学技术大学，核科学与技术，2014，硕士
【关键词】CLAM钢；Ta含量；高温奥氏体化工艺；析出相；断裂韧性；三维原子探针；

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