中國低活化馬氏體鋼高溫疲勞行為及損傷機(jī)理研究.pdf

1、由于“安全”、“清潔”、“持久性”的特點(diǎn)，聚變能被認(rèn)為是永久解決世界能源危機(jī)的方案之一。包層是聚變反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)氚燃料增殖、能量轉(zhuǎn)換及輸出的關(guān)鍵部件。在目前國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER設(shè)計(jì)方案中，包層服役溫度約450℃，等離子體燃耗造成的循環(huán)周次約為20000～50000次，燃耗持續(xù)時(shí)間約500s左右?？紤]到地震和運(yùn)行過程中等離子不穩(wěn)定等因素帶來的影響，循環(huán)周期可能會達(dá)到十萬次，這對聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的抗高溫疲勞性能提出了極高的要求。中國低活

2、化馬氏體鋼(CLAM)是中國ITER實(shí)驗(yàn)包層的首選結(jié)構(gòu)材料，其在高溫循環(huán)載荷作用下的力學(xué)行為，不僅是ITER TBM結(jié)構(gòu)和服役壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是材料通過相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的基本要求之一;同時(shí)理解材料在疲勞過程中的損傷機(jī)理對于進(jìn)一步優(yōu)化材料的成分與加工工藝，研發(fā)新型聚變堆結(jié)構(gòu)材料具有重要意義。
　　本論文主要針對ITER高溫脈沖載荷的服役工況和CLAM鋼認(rèn)證需求，開展CLAM鋼在450℃和550℃下的疲勞實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)

3、結(jié)果建立了CLAM鋼在循環(huán)載荷作用下的壽命預(yù)測模型和力學(xué)行為隨時(shí)間變化的本構(gòu)方程。本研究旨在分析溫度、應(yīng)力等因素對CLAM鋼疲勞壽命及應(yīng)力應(yīng)變等行為的影響機(jī)理，同時(shí)獲得CLAM鋼的高溫疲勞特性，為CLAM鋼認(rèn)證和中國ITER TBM包層的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　　首先，本文研究了應(yīng)力控制模式下CLAM鋼的高周疲勞行為，分析了應(yīng)力循環(huán)加載下疲勞極限與斷裂行為。研究結(jié)果表明循環(huán)周次在105～107時(shí)隨著應(yīng)力幅度的減小CLAM鋼疲勞壽命逐漸升

4、高。450℃和550℃下CLAM鋼的條件疲勞極限為275±5MPa和235±5MPa。通過最小二乘法和Basquin方程建立了CLAM鋼疲勞壽命預(yù)測模型，并分別依據(jù)近似歐文單側(cè)公差極限法和雙側(cè)置信區(qū)間法建立了CLAM鋼的疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線，通過與測試結(jié)果比較表明近似歐文單側(cè)公差極限法能夠更為安全的預(yù)測材料的疲勞壽命。斷口分析表明樣品表面萌生的裂紋向材料基體內(nèi)部擴(kuò)展是材料疲勞失效的主要原因。
　　其次，本文分析了CLAM鋼在450℃

5、和550℃下應(yīng)變控制的低周疲勞行為。研究結(jié)果表明，疲勞壽命隨著溫度的升高略微降低，這一現(xiàn)象在低應(yīng)變幅下更為明顯。在應(yīng)變控制過程中，隨著循環(huán)周次的增加，峰值應(yīng)力演化呈現(xiàn)較為明顯的三個(gè)階段:在數(shù)十個(gè)周期內(nèi)峰值應(yīng)力迅速降低，然后軟化速率逐漸趨于穩(wěn)定，直至最后突然失效。彈性模量隨著循環(huán)周次的演化過程表明可以用彈性模量表征材料在循環(huán)載荷作用下的損傷程度。最后通過分析CLAM鋼的微觀結(jié)構(gòu)演化過程，表明位錯(cuò)密度降低和亞晶的融合長大是材料強(qiáng)度降低的主要