至德钢业310S不锈钢力学性能研究报告

  310S不锈钢力学性能是材料抵抗外力作用的能力，这些性能是设计选材、工程结构计算和材料改进与材料质量评定的重要指标，也是反应堆设计、改进和发展的依据，一般包括强度、韧性、疲劳和蠕变等性能。SCWR的运行温度远高于现有PWR的温度，高温会降低材料的力学性能，也会产生蠕变问题，日本已有研究指出，蠕变性能是SCWR堆内构件的寿命决定因素。此外，堆芯部件存在疲劳工况，在反应堆停堆、启动以及运行期间的功率变化阶段，部件会承受交变状态的热应力，材料的疲劳性能将直接关系到反应堆的安全运行，即使塑性很好的材料也可在远低于屈服强度的应力下突然脆断，是一种非常危险的脆性破断，因此，研究310S不锈钢的疲劳性能是十分重要的。

  浙江至德钢业有限公司研究310S不锈钢的常规力学性能（冲击、拉伸）、疲劳性能（低周疲劳、高周疲劳）和蠕变性能，获得310S不锈钢在SCWR高温条件下的力学性能，分析温度等环境因素对上述性能的影响规律，并与其他候选材料进行对比，评价310S不锈钢用作SCWR包壳材料的可行性。

 一、310S不锈钢拉伸试验

 强度是候选材料维持包壳部件完整性和稳定性的力学基础，工程上常用的拉伸性能有抗拉强度、屈服强度、延伸率等。其中，屈强比σs/σb对选材有重要的意义。本文中，拉伸试验采用圆形棒状试样。试验温度点包括：室温、350℃、550℃、650℃，每个温度点的平行试样数量不少于2件。

 室温拉伸试验参照国标GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行，高温拉伸试验参照国标GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》进行，试验设备为WDW-100C型材料试验机、MTS810型电液伺服试验机。控制方式：位移控制；位移控制加载速率：1mm/min；试验后获得310S不锈钢在不同温度点的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率。采用扫描电镜(SEM)观察断口形貌。

二、310S不锈钢冲击试验

  冲击韧性是候选材料维持包壳部件完整性的重要保障，冲击韧性试验简单方便，带缺口试样的试验能反映多种因素的影响，对材质和缺陷比较敏感，故可用冲击功Ak值来表征材料的冶金质量以及工艺质量等。浙江至德钢业有限公司310S不锈钢冲击试验采用的缺口试样形式为夏比U型。平行试样数量为3个。

  试验参照标准GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行，试验设备为冲击试验机。试验后，获得310S不锈钢在室温条件下的冲击功。此外，还开展了550℃×2000h时效对310S不锈钢的冲击性能的影响研究，时效试验在高温炉中开展，时效后开展冲击试验，获得时效前后310S不锈钢的冲击韧性变化情况。采用扫描电镜（SEM）观察断口形貌。

三、 310S不锈钢蠕变试验

  对于钢铁材料，温度超过300℃后，则会产生不同程度的蠕变现象，不能用常温下的力学性能指标来评定高温下工作的金属材料的力学性能。由于SCWR工作在较高的温度下，堆内部件将承受一定的应力，尤其是燃料包壳材料，将分别承受冷却剂和裂变气体的压力，还会受到燃料芯块的物理挤压和化学的相互作用（PCI），使管径增大。若设计时所选用的应力偏高，就可能导致包壳管使用一段时间后发生变形或破损，所以材料的蠕变性能对SCWR的设计非常重要，日本的相关研究认为，SCWR包壳材料的蠕变性能甚至比腐蚀性能显得更重要。

  浙江至德钢业有限公司310S不锈钢疲劳试验棒状试样如图所示，标距50mm，标称直径5mm，以方便试验，在试样两端分别焊接了带螺纹的端头。试验参照国标GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》执行，控制模式为载荷控制。结合材料特点，试验设备采用RDL50型蠕变持久试验机，采用控温电阻炉加热。试验温度和应力为变化参数，确定为550℃/90MPa、600℃/85MPa、650℃/70MPa、700℃/65MPa、800℃/65MPa等5种条件。试验持续时间大于500h，试验后获得材料发生蠕变产生的伸长率。采用扫描电镜（SEM）观察断口形貌。

四、 310S不锈钢疲劳试验

（1）低度疲劳试验

    反应堆在停、堆启动等期间，部件材料要承受低频的交变载荷，通常循环次数小于105次，因此，研究材料的低周疲劳性能很有必要。浙江至德钢业有限公司低度疲劳试验采用棒状试样，样品平行长度30mm，标距长度25mm，标称直径8mm。试验参照标准15248-1993《金属材料轴向等幅低循环试验方法》进行。利用电液伺服试验机（MTS810-100kN型），开展310S试验材料在室温和650℃空气中的低周疲劳试验。25mm标距的引伸计，可满足高温和室温条件下的使用。高温试验采用三段式控温方式，温度波动控制在±1℃范围内，样品表面有两个位置安装热电偶进行温度测量。加载方式为应变控制，三角波，一次疲劳周次时间为4s，应变幅为±0.5%，应变速率为0.5%/s，应变比为-1。循环周次为102次～105次，试样进行至断裂或失稳，由计算机采集试验数据，获得疲劳曲线。采用扫描电镜（SEM）观察断口形貌。

（2）高度疲劳试验

   反应堆在运行和功率变化期间，会承受由功率变化引起的、温度变化引起的以及来自系统的高周次低交变应力，常发生高度疲劳现象，即使塑性很好的材料也会在毫无征兆的情况下突然发生断裂。高温条件下，疲劳性能还要降低。描述金属材料高周疲劳性能的参数主要包括：（1）S-N曲线（应力-寿命曲线）。（2）耐久极限应力。耐久极限应力高，材料抵抗裂纹萌生的能力强，疲劳寿命就长。

   310S不锈钢疲劳试验采用棒状疲劳试样，标距段直径为Φ7.52mm，试样总长为180mm。试验参照标准GB/T4337-2008《金属旋转弯曲疲劳试验方法》进行；试验设备为PQ2-99型旋转弯曲疲劳试验机；试验环境为室温及550℃空气中；加载方式为旋转弯曲式；试验频率为4500转/分；试验到断裂或循环周次超过106为止。试验结束后，获得310S不锈钢应力-寿命曲线，采用扫描电镜(SEM)观察断裂试样的断口形貌。