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至德钢业2520不锈钢蠕变性能结果及分析

来源:至德钢业 日期:2019-11-19 17:26:59 人气:93

  2520不锈钢材料蠕变变形的规律可用蠕变曲线进行描述,它反映了材料在特定温度、应力的组织情况下,其变形量与时间之间的关系。典型的蠕变曲线包括3个阶段:蠕变第一阶段,具有逐渐减慢的蠕变速率;蠕变第二阶段:稳态蠕变阶段,应变硬化过程和回复过程达到平衡,是最重要的阶段;蠕变第三阶段,蠕变过程加速,直至断裂。评定材料长时间蠕变性能时,通常采用稳态蠕变速率。对于长寿命材料的应用,其在高温及应力作用下的稳态蠕变速率是材料的关键指标,并可进行外推。以下是2520不锈钢不同试验条件下的试验结果,结果表明,在550℃(90MPa)、600℃(85MPa)条件下蠕变500h后,2520不锈钢试样的稳态蠕变速率在量级;而当温度条件升高至650℃(应力下降至70MPa)时,2520不锈钢试样的蠕变性能最佳,稳态蠕变速率在量级;当温度进一步升高至700℃(65MPa),2520不锈钢试样的温度蠕变速率有所上升,到800℃(65MPa),稳态蠕变速率达到几种试验条件下的最大值,并且发生了蠕变断裂。

 

  2520不锈钢试样在几种条件下的稳态蠕变速率变化情况见图。温度升高时,材料保持着较低水平的蠕变速率,在650℃/70MPa条件下,310S蠕变变形速率并未增加,其表现出对该温度和应力不甚敏感,在该条件下蠕变性能较佳。将该结果与其他几种核电常用结构材料相比,可知,几种材料在所有试验条件下,蠕变性能优于普通材料,在500小时试验后,总的应变量均未超过0.12%。该曲线比较稳定,波动较小,说明试验数据稳定性好,可信度高。

 


一、不同温度/应力条件下的蠕变性能规律


 (1)随着温度的提高,应力水平的降低,347不锈钢在几种材料中,其蠕变速率会增大,表明在上述各条件下,347不锈钢对温度比对应力更敏感。316Ti不锈钢在几种材料中,在四种温度和应力条件下,特别在650℃以上时,蠕变性能都最差。6XN不锈钢在几种材料中,蠕变速率均为1.4×10-5/%/h,在550℃/90MPa和600℃/85MPa下表现较好,但不清楚更高温度对其的影响。


(2)高温合金中,800H合金的蠕变速率在650℃条件下(两种应力)的较低;当温度升高到700℃时,较低的应力条件下(65MPa),速率较低,较高的应力条件下(90MPa),速率在增加。825合金的蠕变变形在550℃条件下不明显;当温度升高,蠕变性能开始变差,温度达到650℃时,蠕变速率同316Ti,347不锈钢的相当,比较明显的低于800H合金的和718合金的;718合金的蠕变速率,在几种温度下基本在较低的水平量级(4×10-5/%/h),当温度升高,和/或应力升高,变化不明显,蠕变性能在几种合金中最佳。

 

   总体而言,在600℃以上,2520不锈钢和718合金的蠕变性能较好;在600℃以下,800H蠕变性能最佳。2520不锈钢在蠕变性能方面具有应用SCWR包壳材料的潜质。


  2520不锈钢与其他不锈钢相比,采用本构方程进行分析时,n表示材料蠕变时对应力的敏感性,Q表示材料蠕变时对温度的敏感性,则n的排序为2520不锈钢<347不锈钢<316Ti不锈钢,Q的排序为316Ti不锈钢< 347不锈钢<310S不锈钢。结合n和Q的排序,可知几种不锈钢材料中,2520不锈钢的蠕变性能最优,316Ti不锈钢的蠕变性能最差,n和Q的具体值的确定需要更多的试验提供数据。


   正如日本的研究指出:在分析评价材料的高温使用边界方面,700℃以下,认为辐照蠕变占主导地位;在700℃或以上的温度中,认为热蠕变占主导地位;采用热蠕变试验为主进行材料特性的评价分析室完全可行的。因此,本文采用热蠕变试验进行研究,温度涉及到700℃、800℃,研究结果具有较好的应用有效性。


 2520不锈钢试样在550℃、600℃、650℃、700℃蠕变试验后,试样表面未发现裂纹;而在800℃蠕变试验491小时后发生了断裂,标距段表面有宏观裂纹,如图所示。其断口形貌如图所示,试样断口边缘已经发生明显的氧化,断口被氧化膜覆盖;在断口边缘与心部的过渡区域,逐渐出现韧窝形貌,韧窝比较浅,数量比较少;在断口靠近心部区域,也即是最后断裂区,韧窝数量增多,断口形貌以韧窝为主,韧窝深度较过渡区稍深。说明310S在蠕变过程中,表面发生氧化后,在800℃条件下,在正拉伸应力的作用下,表面氧化膜破断,露出材料新鲜内部组织,再次被氧化和破断,使得表面成为可能的裂纹源,在应力进一步作用下,材料内部垂直于拉应力的方向,应力梯度使空位向高应力区移动,形成空位的聚集,变成大空位或孔洞;这些孔洞削弱了裂纹尖端的材料,孔洞在拉应力作用下相互连接,形成裂纹,萌生出新的蠕变裂纹,或使得已有蠕变裂纹继续扩展,最后断裂区由于受到的氧化时间短于先断裂区,氧化膜厚度稍薄,仍能观察到较明显的韧窝痕迹。

 


 2520不锈钢蠕变性能后续研究中,应开展的研究方向应该包括:


(1)开展更多条件下的试验来获得相关参数,以补充材料的蠕变本构方程;


(2)获得不同温度下(尤其是650℃以上温度下)燃料包壳寿期内蠕变性能变化情况;


(3)开展微观分析工作;


(4)开展辐照导致的蠕变性能变化;


(5)开展持久试验研究(蠕变破断试验),获得持久强度,为设计、选材提供依据,并为合金材料的研发或改性奠定基础。上述工作可对SCWR材料的研发和工程化提供重要数据和指导。


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本文标签:2520不锈钢 

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