AL6XN超級奧氏鋼的動態(tài)應(yīng)變時效、低周疲勞及蠕變行為.pdf

1、超臨界水冷堆的燃料包殼材料需要在高溫下(500～650℃)仍然具有較高的韌性、強度，優(yōu)良的抗高溫蠕變、抗疲勞性能以及良好的抗腐蝕、抗輻照能力。具有高強度、高韌性、優(yōu)良的抗腐蝕和抗氧化性能的AL6XN超級奧氏體鋼作為燃料包殼的候選材料，但目前對該奧氏體鋼的高溫力學(xué)行為研究不多。全文以AL6XN超級奧氏體鋼為研究對象，在超臨界水冷堆的溫度工況條件下，進行高溫拉伸的應(yīng)變時效、高溫低周疲勞、高溫蝙變及時效后的沖擊試驗，圍繞材料高溫力學(xué)行為進行研

2、究，并采用掃描電子顯微鏡及透射電子顯微鏡對其形變前后的材料微結(jié)構(gòu)進行深入分析，討論材料微結(jié)構(gòu)與高溫力學(xué)行為的關(guān)系。
　　 實驗結(jié)果表明：AL6XN奧氏體鋼在高溫(500～700℃)拉伸及高溫(300及600℃)低周疲勞試驗過程中均表現(xiàn)出一系列特定的力學(xué)行為。拉伸以及低周疲勞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)明顯的上下波動鋸齒型，應(yīng)力在應(yīng)變速率升高的過程中反而降低，即出現(xiàn)負的應(yīng)變速率敏感性。以上宏觀現(xiàn)象均表明AL6XN奧氏體鋼在高溫拉伸及疲勞

3、試驗過程中出現(xiàn)明顯的動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)效應(yīng)。由于受到DSA的影響拉伸曲線的屈服強度隨溫度升高而表現(xiàn)出平臺趨勢，以及疲勞應(yīng)力出現(xiàn)明顯的初始硬化現(xiàn)象。透射電鏡觀察表明：AL6XN奧氏體鋼出現(xiàn)DSA效應(yīng)時，位錯沿滑移面呈平行隊列排布。主要的原因是由于在高溫變形過程中溶質(zhì)原子團向位錯線擴散、團聚并對可動位錯產(chǎn)生釘扎或拖拽作用，導(dǎo)致位錯難以改變滑移面進行交滑移，更傾向于沿一個滑移面運動形成位錯隊列。因此亞結(jié)構(gòu)分析得到由于受到溶質(zhì)原子團的釘扎或

4、拖拽，位錯可動性降低，拉伸過程中出現(xiàn)屈服強度隨溫度升高而保持穩(wěn)定以及在高溫低周疲勞試驗中出現(xiàn)初始循環(huán)硬化現(xiàn)象。依據(jù)應(yīng)力指數(shù)（m+β）、激活能(Q)與臨界應(yīng)變量（εc）的關(guān)系，在500～650℃溫度范圍內(nèi)推導(dǎo)出應(yīng)力指數(shù)及激活能分別為2.4及304 kJ/mol，其值較高。可以推斷出在AL6XN奧氏體鋼中對位錯產(chǎn)生交互作用的溶質(zhì)原子類型主要為Cr、Mo等置換原子。
　　 AL6XN奧氏體鋼在120～260 MPa的應(yīng)力及600-75

5、0℃下進行蠕變試驗，結(jié)果表明：該奧氏體鋼具有較低的蠕變速率(10-1l～10-7 S-1)以及較高的蠕變指數(shù)(n-5)和蠕變激活能(Q=395.4 kJ/mol)，符合冪指數(shù)流變方程失效機制，根據(jù)以上結(jié)果推斷溶質(zhì)原子對位錯的運動產(chǎn)生交互作用。透射電鏡觀察表明奧氏體基體中分布大量卷曲狀位錯，說明粘滯位錯滑移是該材料由速率控制蠕變變形中的重要形變機制。對經(jīng)過高溫(500-750℃)長時間（3600 h)蠕變樣品進行微結(jié)構(gòu)分析表明，AL6XN

6、奧氏體鋼存在復(fù)雜的析出行為。樣品在較低溫度(≤550℃)下經(jīng)過長時間蠕變，沒有觀察到析出物。溫度升高到600℃時，晶界首先出現(xiàn)析出物。通過選區(qū)衍射分析表明該析出物為M23C6碳化物。之后當(dāng)溫度升高到650-750℃之間，奧氏體晶粒內(nèi)部以及孿晶界也出現(xiàn)大量析出物。其中包括M23C6、M6C碳化物、σ相及Laves相金屬間化合物。由于在晶界處存在大量脆性析出物，顯著降低AL6XN奧氏體鋼韌性并降低高溫蠕變壽命。并且長時間高溫時效后，晶界處出