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至德鋼業310S不銹鋼力學性能研究報告

來源:至德鋼業 日期:2019-11-17 21:47:18 人氣:113

  310S不銹鋼力學性能是材料抵抗外力作用的能力,這些性能是設計選材、工程結構計算和材料改進與材料質量評定的重要指標,也是反應堆設計、改進和發展的依據,一般包括強度、韌性、疲勞和蠕變等性能。SCWR的運行溫度遠高于現有PWR的溫度,高溫會降低材料的力學性能,也會產生蠕變問題,日本已有研究指出,蠕變性能是SCWR堆內構件的壽命決定因素。此外,堆芯部件存在疲勞工況,在反應堆停堆、啟動以及運行期間的功率變化階段,部件會承受交變狀態的熱應力,材料的疲勞性能將直接關系到反應堆的安全運行,即使塑性很好的材料也可在遠低于屈服強度的應力下突然脆斷,是一種非常危險的脆性破斷,因此,研究310S不銹鋼的疲勞性能是十分重要的。

 

  浙江至德鋼業有限公司研究310S不銹鋼的常規力學性能(沖擊、拉伸)、疲勞性能(低周疲勞、高周疲勞)和蠕變性能,獲得310S不銹鋼在SCWR高溫條件下的力學性能,分析溫度等環境因素對上述性能的影響規律,并與其他候選材料進行對比,評價310S不銹鋼用作SCWR包殼材料的可行性。


 一、310S不銹鋼拉伸試驗


 強度是候選材料維持包殼部件完整性和穩定性的力學基礎,工程上常用的拉伸性能有抗拉強度、屈服強度、延伸率等。其中,屈強比σs/σb對選材有重要的意義。本文中,拉伸試驗采用圓形棒狀試樣。試驗溫度點包括:室溫、350℃、550℃、650℃,每個溫度點的平行試樣數量不少于2件。


 室溫拉伸試驗參照國標GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行,高溫拉伸試驗參照國標GB/T 4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》進行,試驗設備為WDW-100C型材料試驗機、MTS810型電液伺服試驗機。控制方式:位移控制;位移控制加載速率:1mm/min;試驗后獲得310S不銹鋼在不同溫度點的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、延伸率。采用掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。

 

二、310S不銹鋼沖擊試驗


  沖擊韌性是候選材料維持包殼部件完整性的重要保障,沖擊韌性試驗簡單方便,帶缺口試樣的試驗能反映多種因素的影響,對材質和缺陷比較敏感,故可用沖擊功Ak值來表征材料的冶金質量以及工藝質量等。浙江至德鋼業有限公司310S不銹鋼沖擊試驗采用的缺口試樣形式為夏比U型。平行試樣數量為3個。

 

  試驗參照標準GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行,試驗設備為沖擊試驗機。試驗后,獲得310S不銹鋼在室溫條件下的沖擊功。此外,還開展了550℃×2000h時效對310S不銹鋼的沖擊性能的影響研究,時效試驗在高溫爐中開展,時效后開展沖擊試驗,獲得時效前后310S不銹鋼的沖擊韌性變化情況。采用掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。


三、 310S不銹鋼蠕變試驗


  對于鋼鐵材料,溫度超過300℃后,則會產生不同程度的蠕變現象,不能用常溫下的力學性能指標來評定高溫下工作的金屬材料的力學性能。由于SCWR工作在較高的溫度下,堆內部件將承受一定的應力,尤其是燃料包殼材料,將分別承受冷卻劑和裂變氣體的壓力,還會受到燃料芯塊的物理擠壓和化學的相互作用(PCI),使管徑增大。若設計時所選用的應力偏高,就可能導致包殼管使用一段時間后發生變形或破損,所以材料的蠕變性能對SCWR的設計非常重要,日本的相關研究認為,SCWR包殼材料的蠕變性能甚至比腐蝕性能顯得更重要。

 

  浙江至德鋼業有限公司310S不銹鋼疲勞試驗棒狀試樣如圖所示,標距50mm,標稱直徑5mm,以方便試驗,在試樣兩端分別焊接了帶螺紋的端頭。試驗參照國標GB/T2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》執行,控制模式為載荷控制。結合材料特點,試驗設備采用RDL50型蠕變持久試驗機,采用控溫電阻爐加熱。試驗溫度和應力為變化參數,確定為550℃/90MPa、600℃/85MPa、650℃/70MPa、700℃/65MPa、800℃/65MPa等5種條件。試驗持續時間大于500h,試驗后獲得材料發生蠕變產生的伸長率。采用掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。

 

四、 310S不銹鋼疲勞試驗

 

(1)低度疲勞試驗


    反應堆在停、堆啟動等期間,部件材料要承受低頻的交變載荷,通常循環次數小于105次,因此,研究材料的低周疲勞性能很有必要。浙江至德鋼業有限公司低度疲勞試驗采用棒狀試樣,樣品平行長度30mm,標距長度25mm,標稱直徑8mm。試驗參照標準15248-1993《金屬材料軸向等幅低循環試驗方法》進行。利用電液伺服試驗機(MTS810-100kN型),開展310S試驗材料在室溫和650℃空氣中的低周疲勞試驗。25mm標距的引伸計,可滿足高溫和室溫條件下的使用。高溫試驗采用三段式控溫方式,溫度波動控制在±1℃范圍內,樣品表面有兩個位置安裝熱電偶進行溫度測量。加載方式為應變控制,三角波,一次疲勞周次時間為4s,應變幅為±0.5%,應變速率為0.5%/s,應變比為-1。循環周次為102次~105次,試樣進行至斷裂或失穩,由計算機采集試驗數據,獲得疲勞曲線。采用掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。

 

(2)高度疲勞試驗


   反應堆在運行和功率變化期間,會承受由功率變化引起的、溫度變化引起的以及來自系統的高周次低交變應力,常發生高度疲勞現象,即使塑性很好的材料也會在毫無征兆的情況下突然發生斷裂。高溫條件下,疲勞性能還要降低。描述金屬材料高周疲勞性能的參數主要包括:(1)S-N曲線(應力-壽命曲線)。(2)耐久極限應力。耐久極限應力高,材料抵抗裂紋萌生的能力強,疲勞壽命就長。

 

   310S不銹鋼疲勞試驗采用棒狀疲勞試樣,標距段直徑為Φ7.52mm,試樣總長為180mm。試驗參照標準GB/T4337-2008《金屬旋轉彎曲疲勞試驗方法》進行;試驗設備為PQ2-99型旋轉彎曲疲勞試驗機;試驗環境為室溫及550℃空氣中;加載方式為旋轉彎曲式;試驗頻率為4500轉/分;試驗到斷裂或循環周次超過106為止。試驗結束后,獲得310S不銹鋼應力-壽命曲線,采用掃描電鏡(SEM)觀察斷裂試樣的斷口形貌。


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本文標簽:310S不銹鋼 

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