【摘 要】
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随着第四代核电事业的发展,核电站对材料性能的要求越来越高。ITER计划的磁体支撑结构要求材料具有完全奥氏体组织、优异的强韧性和耐腐蚀性能,而传统商用316LN奥氏体不锈钢的组织和强韧性难以满足ITER的要求。因此,加强对ITER用新型316LN奥氏体不锈钢(ITER 316LN奥氏体不锈钢)的系统研究具有重要意义。本文系统研究了氮含量对ITER 316LN奥氏体不锈钢微观组织、力学性能及耐腐蚀性能
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随着第四代核电事业的发展,核电站对材料性能的要求越来越高。ITER计划的磁体支撑结构要求材料具有完全奥氏体组织、优异的强韧性和耐腐蚀性能,而传统商用316LN奥氏体不锈钢的组织和强韧性难以满足ITER的要求。因此,加强对ITER用新型316LN奥氏体不锈钢(ITER 316LN奥氏体不锈钢)的系统研究具有重要意义。本文系统研究了氮含量对ITER 316LN奥氏体不锈钢微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响规律。利用Thermo-Calc热力学软件计算了氮含量对实验钢析出行为的影响;利用光学显微镜(OM)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等手段分析了不同氮含量ITER 316LN的组织特征;利用维氏显微硬度仪、拉伸试验机和示波冲击试验机研究了氮含量对ITER 316LN力学性能的影响;利用电化学工作站和化学浸泡法分析了氮含量对ITER 316LN耐腐蚀性能的影响规律。主要结论如下:三种氮含量实验钢(0.006N、0.16N和0.29N)中的夹杂物尺寸较小,类型主要为Ce2O2S和Ce2O2S-Al2O3-MnS的复合夹杂物;此外,0.29N钢中还还存在AlN析出相。Thermo-calc的计算结果表明,提高钢中的氮含量,抑制了 δ铁素体的生成,促进了 Chi、Cr2N和AlN相的析出,抑制了 σ相的析出;固溶温度为1050℃时,0.006N钢为完全奥氏体组织,0.16N、0.29N钢为奥氏体组织和AlN;Al-N平衡曲线也证实了 0.29N钢在凝固过程中形成了AlN。微观组织分析结果表明,氮含量提高使钢晶粒尺寸减小,位错密度和显微硬度增大。拉伸实验结果表明,提高氮含量使钢的屈服和抗拉强度增大,延伸率降低;氮对实验钢的强化机制以固溶强化和晶界强化为主;随着氮含量的提高,实验钢的拉伸塑性变形机制由位错滑移转变为位错滑移和形变孪晶的共同作用。示波冲击实验结果表明,随氮含量的提高,钢的室温冲击韧性逐渐升高,主要是由于高的氮含量显著促进了晶粒细化,并增大了加工硬化率;而钢的液氮温度冲击韧性随着氮含量的提高逐渐降低,这主要因为氮含量的提高抑制了形变诱导马氏体形成。实验钢的冲击塑性变形分析结果表明,室温时,随着氮含量的提高,变形机制由位错滑移和形变孪晶共同作用转变为位错的平面滑移;液氮温度下,变形机制由形变诱导马氏体和位错滑移共同作用转变为位错滑移和形变孪晶共同作用。电化学实验和浸泡实验研究结果表明,随氮着含量的提高,实验钢的耐腐蚀性能逐渐提高。XPS结果表明,氮元素促进了钝化膜中Cr2O3和MoO2等稳定性化合物的形成,有效阻止了侵蚀性离子通过钝化膜进行扩散,导致腐蚀速率和阳极电流密度降低,从而提高钝化膜的稳定性;并且,氮在钝化膜中形成的NH3和NH4+可以消耗点蚀坑形成过程中所生成的H+,改善点蚀坑局部位置的pH值,从而提高耐腐蚀性能。
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