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至德鋼業2520不銹鋼蠕變性能結果及分析

來源:至德鋼業 日期:2019-11-19 17:26:59 人氣:59

  2520不銹鋼材料蠕變變形的規律可用蠕變曲線進行描述,它反映了材料在特定溫度、應力的組織情況下,其變形量與時間之間的關系。典型的蠕變曲線包括3個階段:蠕變第一階段,具有逐漸減慢的蠕變速率;蠕變第二階段:穩態蠕變階段,應變硬化過程和回復過程達到平衡,是最重要的階段;蠕變第三階段,蠕變過程加速,直至斷裂。評定材料長時間蠕變性能時,通常采用穩態蠕變速率。對于長壽命材料的應用,其在高溫及應力作用下的穩態蠕變速率是材料的關鍵指標,并可進行外推。以下是2520不銹鋼不同試驗條件下的試驗結果,結果表明,在550℃(90MPa)、600℃(85MPa)條件下蠕變500h后,2520不銹鋼試樣的穩態蠕變速率在量級;而當溫度條件升高至650℃(應力下降至70MPa)時,2520不銹鋼試樣的蠕變性能最佳,穩態蠕變速率在量級;當溫度進一步升高至700℃(65MPa),2520不銹鋼試樣的溫度蠕變速率有所上升,到800℃(65MPa),穩態蠕變速率達到幾種試驗條件下的最大值,并且發生了蠕變斷裂。

 

  2520不銹鋼試樣在幾種條件下的穩態蠕變速率變化情況見圖。溫度升高時,材料保持著較低水平的蠕變速率,在650℃/70MPa條件下,310S蠕變變形速率并未增加,其表現出對該溫度和應力不甚敏感,在該條件下蠕變性能較佳。將該結果與其他幾種核電常用結構材料相比,可知,幾種材料在所有試驗條件下,蠕變性能優于普通材料,在500小時試驗后,總的應變量均未超過0.12%。該曲線比較穩定,波動較小,說明試驗數據穩定性好,可信度高。

 


一、不同溫度/應力條件下的蠕變性能規律


 (1)隨著溫度的提高,應力水平的降低,347不銹鋼在幾種材料中,其蠕變速率會增大,表明在上述各條件下,347不銹鋼對溫度比對應力更敏感。316Ti不銹鋼在幾種材料中,在四種溫度和應力條件下,特別在650℃以上時,蠕變性能都最差。6XN不銹鋼在幾種材料中,蠕變速率均為1.4×10-5/%/h,在550℃/90MPa和600℃/85MPa下表現較好,但不清楚更高溫度對其的影響。


(2)高溫合金中,800H合金的蠕變速率在650℃條件下(兩種應力)的較低;當溫度升高到700℃時,較低的應力條件下(65MPa),速率較低,較高的應力條件下(90MPa),速率在增加。825合金的蠕變變形在550℃條件下不明顯;當溫度升高,蠕變性能開始變差,溫度達到650℃時,蠕變速率同316Ti,347不銹鋼的相當,比較明顯的低于800H合金的和718合金的;718合金的蠕變速率,在幾種溫度下基本在較低的水平量級(4×10-5/%/h),當溫度升高,和/或應力升高,變化不明顯,蠕變性能在幾種合金中最佳。

 

   總體而言,在600℃以上,2520不銹鋼和718合金的蠕變性能較好;在600℃以下,800H蠕變性能最佳。2520不銹鋼在蠕變性能方面具有應用SCWR包殼材料的潛質。


  2520不銹鋼與其他不銹鋼相比,采用本構方程進行分析時,n表示材料蠕變時對應力的敏感性,Q表示材料蠕變時對溫度的敏感性,則n的排序為2520不銹鋼<347不銹鋼<316Ti不銹鋼,Q的排序為316Ti不銹鋼< 347不銹鋼<310S不銹鋼。結合n和Q的排序,可知幾種不銹鋼材料中,2520不銹鋼的蠕變性能最優,316Ti不銹鋼的蠕變性能最差,n和Q的具體值的確定需要更多的試驗提供數據。


   正如日本的研究指出:在分析評價材料的高溫使用邊界方面,700℃以下,認為輻照蠕變占主導地位;在700℃或以上的溫度中,認為熱蠕變占主導地位;采用熱蠕變試驗為主進行材料特性的評價分析室完全可行的。因此,本文采用熱蠕變試驗進行研究,溫度涉及到700℃、800℃,研究結果具有較好的應用有效性。


 2520不銹鋼試樣在550℃、600℃、650℃、700℃蠕變試驗后,試樣表面未發現裂紋;而在800℃蠕變試驗491小時后發生了斷裂,標距段表面有宏觀裂紋,如圖所示。其斷口形貌如圖所示,試樣斷口邊緣已經發生明顯的氧化,斷口被氧化膜覆蓋;在斷口邊緣與心部的過渡區域,逐漸出現韌窩形貌,韌窩比較淺,數量比較少;在斷口靠近心部區域,也即是最后斷裂區,韌窩數量增多,斷口形貌以韌窩為主,韌窩深度較過渡區稍深。說明310S在蠕變過程中,表面發生氧化后,在800℃條件下,在正拉伸應力的作用下,表面氧化膜破斷,露出材料新鮮內部組織,再次被氧化和破斷,使得表面成為可能的裂紋源,在應力進一步作用下,材料內部垂直于拉應力的方向,應力梯度使空位向高應力區移動,形成空位的聚集,變成大空位或孔洞;這些孔洞削弱了裂紋尖端的材料,孔洞在拉應力作用下相互連接,形成裂紋,萌生出新的蠕變裂紋,或使得已有蠕變裂紋繼續擴展,最后斷裂區由于受到的氧化時間短于先斷裂區,氧化膜厚度稍薄,仍能觀察到較明顯的韌窩痕跡。

 


 2520不銹鋼蠕變性能后續研究中,應開展的研究方向應該包括:


(1)開展更多條件下的試驗來獲得相關參數,以補充材料的蠕變本構方程;


(2)獲得不同溫度下(尤其是650℃以上溫度下)燃料包殼壽期內蠕變性能變化情況;


(3)開展微觀分析工作;


(4)開展輻照導致的蠕變性能變化;


(5)開展持久試驗研究(蠕變破斷試驗),獲得持久強度,為設計、選材提供依據,并為合金材料的研發或改性奠定基礎。上述工作可對SCWR材料的研發和工程化提供重要數據和指導。


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本文標簽:2520不銹鋼 

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