摘 要:采用高溫原位疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)鋼板進(jìn)行高溫蠕變?cè)囼?yàn),分析了表面粗糙 度對(duì) ODS鋼板高溫蠕變性能的影響。結(jié)果表明:隨著表面粗糙度的減小,ODS鋼板的穩(wěn)態(tài)蠕變速率減 小,蠕變壽命延長(zhǎng),試驗(yàn)后鋼板表面裂紋數(shù)量減少;ODS鋼板表面裂紋是由其表面縱向分布的劃痕與橫 向分布的滑移線相互作用形成的,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋擴(kuò)展、相互連接,最終導(dǎo)致鋼板斷裂。

關(guān)鍵詞:表面粗糙度;ODS鋼;高溫蠕變

中圖分類(lèi)號(hào):TL341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0001-04

氧 化 物 彌 散 強(qiáng) 化 (Oxide DispersionStrengthened,ODS)鋼是一種新型的結(jié)構(gòu)材料,因 其具有優(yōu)異的高溫性能和抗輻照性能,常用于反應(yīng) 堆結(jié)構(gòu)材料[1-3],尤其在替換鋯合金作為包殼材料方 面,ODS 鋼 的 使 用 溫 度 (500~700 ℃)比 鋯 合 金 (280~320 ℃)的高。在反應(yīng)堆發(fā)生失水事故時(shí),鋯 合金包殼會(huì)與水蒸氣發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣, 造成氫氣爆炸事故,而 ODS鋼不會(huì)與水蒸氣反應(yīng)生 成氫氣,可以避免該類(lèi)事故的發(fā)生。因此,ODS鋼 在核反應(yīng)堆條件下的應(yīng)用比鋯合金更有優(yōu)勢(shì)。

高溫蠕變性能是 ODS鋼在核反應(yīng)堆條件下的 首要力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。SEILS等[5]研究了溫度 對(duì)奧氏體、鐵素體 ODS鋼蠕變性能的影響,結(jié)果表 明,當(dāng)溫度高于500℃時(shí),隨著溫度的升高,奧氏體、 鐵 素 體 ODS 鋼 的 抗 蠕 變 性 能 逐 漸 減 弱。 JAUMIER等[6]比 較 了 含 9% (質(zhì) 量 分 數(shù))和 14% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))鉻的 ODS鋼管的抗蠕變性能,結(jié)果表明 含14%鉻 ODS鋼管軸向上的抗蠕變性能要優(yōu)于含 9%鉻 ODS鋼管。目前,關(guān)于表面粗糙度對(duì) ODS鋼 高溫蠕變性能影響的研究報(bào)道較少。

筆者采用高溫原位試驗(yàn)機(jī)對(duì) ODS鋼板進(jìn)行高 溫蠕變?cè)囼?yàn),分析了表面粗糙度對(duì) ODS鋼高溫蠕變 性能的影響,以期為 ODS鋼在核反應(yīng)堆條件下的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為 ODS鋼,其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分 別為1%Fe,9%Cr,2%W,0.2%Ti,0.13%C,0.35% Y2O3。ODS鋼板生產(chǎn)工藝為:(1)將各金屬粉末和 Y2O3 顆粒 在 球 磨 機(jī) 中 進(jìn) 行 球 磨,球 磨 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 為 200r/min,球磨時(shí)間為50h;(2)將球磨后得到的混 合粉末壓制后在1100 ℃,70MPa條件下進(jìn)行真空 燒結(jié),燒結(jié)時(shí)間為2h;(3)對(duì)燒結(jié)后的材料進(jìn)行包 套處理,并在1150 ℃下進(jìn)行鍛造;(4)對(duì)鍛造后的 材料進(jìn)行多道次冷軋,經(jīng)退火(退火溫度為750 ℃, 保溫時(shí)間為1h,冷卻方式為隨爐冷卻)、淬火(淬火 溫度為1050 ℃,保溫時(shí)間為0.5h,冷卻方式為水 冷)、回火(回火溫度為750 ℃,保溫時(shí)間為1h,冷 卻方式為空冷)處理后得到 ODS鋼板。在 ODS鋼 板上截取蠕變?cè)嚇?其尺寸如圖1所示。對(duì)試樣表 面分別進(jìn)行銑削、砂紙打磨和拋光處理。

依據(jù)ISO9001標(biāo)準(zhǔn),將 ODS鋼蠕變?cè)嚇优c標(biāo) 準(zhǔn)表面粗糙度比較樣塊進(jìn)行比較。經(jīng)銑削加工后的 試樣表面粗糙度為0.800μm(記為銑削試樣),采用 砂紙對(duì)銑過(guò)的試樣進(jìn)行逐級(jí)打磨后,試樣表面粗糙 度為0.025μm(記為打磨試樣),再用拋光機(jī)進(jìn)行拋 光后,試 樣 表 面 粗 糙 度 為 0.012μm(記 為 拋 光 試 樣)。

在800 ℃,80MPa條件下,采用日本島津公司 生產(chǎn)的 SEM-SERVO 型高溫原位疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)不 同表面粗糙度的 ODS鋼板蠕變?cè)嚇舆M(jìn)行高溫蠕變 試驗(yàn),采用原位掃描電鏡(SEM)對(duì)高溫蠕變過(guò)程中 試樣表面的微觀形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同試樣的高溫蠕變曲線

由圖2可見(jiàn):拋光試樣的高溫蠕變過(guò)程可分為 三個(gè)階段,第一階段為減速蠕變階段,第二階段為恒 速蠕變階段,第三階段為加速蠕變階段[7] ;打磨試樣 的高溫蠕變過(guò)程沒(méi)有明顯的第一階段,僅存在第二、三階段;銑削試樣的高溫蠕變過(guò)程也僅存在第二、三 階段,且第二階段時(shí)間較短。

表1是不同試樣在800℃,80MPa條件下的穩(wěn) 態(tài)蠕變速率和蠕變壽命,可見(jiàn)隨著試樣表面粗糙度 的減小,其穩(wěn)態(tài)蠕變速率顯著減小,蠕變壽命延長(zhǎng)。

2.2 不同試樣高溫蠕變過(guò)程中裂紋的萌生及擴(kuò)展

由圖3可見(jiàn):當(dāng)銑削試樣高溫蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行至0.52h時(shí)(蠕變第三階段),其表面出現(xiàn)大量裂紋,這 是由于試樣表面粗糙度較大,表面缺陷較多,試樣在 高溫和應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋;當(dāng)高溫蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行 至0.55h時(shí),銑削試樣被拉斷,斷口表面不平整。

由圖4可見(jiàn):當(dāng)打磨試樣蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行至1.7h 時(shí)(蠕變第三階段),其表面出現(xiàn)了裂紋,裂紋數(shù)量較 處于同一蠕變階段銑削試樣的少;當(dāng)打磨試樣蠕變?cè)?驗(yàn)進(jìn)行至1.8h時(shí),表面裂紋擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂紋,但 裂紋數(shù)量仍較處于同一階段銑削試樣的少;當(dāng)蠕變?cè)?驗(yàn)進(jìn)行至1.87h時(shí),試樣被拉斷,斷口表面不平整。

由圖5可見(jiàn):當(dāng)拋光試樣蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行至5.2h 時(shí)(蠕變第三階段),表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋,但裂紋數(shù)量 較處于同一蠕變階段打磨試樣的少;當(dāng)拋光試樣蠕 變?cè)囼?yàn)進(jìn)行至5.5h(蠕變第三階段)時(shí),拋光試樣表 面裂紋明顯擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂紋,但裂紋數(shù)量仍少 于同一蠕變階段打磨試樣的;當(dāng)拋光試樣蠕變?cè)囼?yàn) 進(jìn)行至 5.71h 時(shí),拋 光 試 樣 被 拉 斷,斷 口 表 面 不 平整。

綜上分析可知,隨著試樣表面粗糙度的增大,試 樣表面裂紋明顯增多,且試樣的蠕變壽命大大降低, 這說(shuō)明粗糙度較大引起的表面裂紋增多是導(dǎo)致試樣 蠕變斷裂的原因。

2.3 不同試樣表面及斷口的微觀形貌

由圖6a),c),e)可見(jiàn):銑削試樣遠(yuǎn)離斷口表面 存在大量縱 向 分 布 的 劃 痕,這 些 劃 痕 與 橫 向 分 布 的滑移線交 割 形 成 裂 紋;打 磨 試 樣 遠(yuǎn) 離 斷 口 表 面 縱向分布的劃痕較少,表面裂紋數(shù)量較少;拋光試 樣遠(yuǎn)離斷口 表 面 幾 乎 沒(méi) 有 縱 向 分 布 的 劃 痕,表 面 裂紋數(shù)量 較 少。因 此,隨 著 試 樣 表 面 粗 糙 度 的 減 小,試樣遠(yuǎn)離 斷 口 表 面 縱 向 分 布 的 劃 痕 數(shù) 量 逐 漸 減少、甚至 消 失,表 面 裂 紋 數(shù) 量 逐 漸 減 少。 由 圖 6b),d),f)可見(jiàn):試樣斷口附近表面裂紋呈多源萌 生、裂紋相互貫通的形貌特征,這是斷口不平整的 主要原因。

3 結(jié)論

(1) 隨 著 ODS 鋼 板 表 面 粗 糙 度 的 減 小 (由 00.12mm減小至0.800μm),其穩(wěn)態(tài)蠕變速率減小(由 14.6×10 -4s -1 減小至33.5×10 -6s -1),蠕變壽命延長(zhǎng)(由 05.5h延長(zhǎng)至57.1h),ODS鋼板表面裂紋數(shù)量減少。

(2)ODS鋼板表面裂紋是由其表面縱向分布 的劃痕與橫向分布的滑移線相互作用形成的,裂紋 擴(kuò)展、相互連接,最終導(dǎo)致鋼板斷裂。

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