至德钢业2520不锈钢蠕变性能结果及分析

  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。