Ti、Zr微合金化对CLAM钢组织及力学性能的影响

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低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是一种高纯净核级材料,由于其具有良好的抗中子辐照性能和低活化特性及相对成熟的工业技术基础,被普遍认为是未来最有可能实现商业化应用的核聚变堆关键结构材料。本论文采用真空感应熔炼(VIM)工艺制备了含 Ta、Ti、Zr 和 Ti-Zr 的 CLAM 钢(以下简称 Ta-CLAM、Ti-CLAM、Zr-CLAM和TiZr-CLAM),系统地研究了 Ti和Zr代替Ta元素对实验钢夹杂物和析出相的影响,以及实验钢在热加工过程中夹杂物的演变规律。同时结合不同热处理制度下实验钢的微观组织及力学性能分析了 Ti、Zr对CLAM钢性能的影响机理。主要结论如下:(1)研究了 Ti、Zr和Ti-Zr对铸态钢中夹杂物的影响。Ta-CLAM钢中夹杂物主要为球状Ta-O-Mn-S相;Ti-CLAM钢中夹杂物主要为单一 TiN、TiN-TiOx型复合夹杂、Ti-O-S型夹杂以及少量Ti-Mn-S型夹杂,Zr-CLAM钢中夹杂物主要为FeZrx相,Zr的氧化物、氮化物、硫化物以及与MnS形成的复合型夹杂物,TiZr-CLAM钢中夹杂物主要为Ti-Zr-O型复合夹杂和以Zr-O相或Ti-Zr-O相为核心的包裹型夹杂物,同时存在部分Ti-N-O相夹杂物。整体来看,采用Ti和Zr代替Ta元素后,实验钢中夹杂物得到了有效细化。(2)研究了典型夹杂物在热加工过程中的演变规律,并对钢中夹杂物进行了定量金相分析。经锻造、轧制后,Ta-CLAM钢表面形成了大量Ta-Mn-S相,夹杂物尺寸几乎不变,但数量增多;Ti-CLAM钢中TiN夹杂物发生球化同时有少量棒状Ti-S相的析出,夹杂物数量及尺寸分布基本不变;Zr-CLAM钢中ZrO2夹杂表面形成了 Zr-Mn-S相,夹杂物平均直径略有提高;TiZr-CLAM钢中TiN包裹型夹杂物和单一 TiN发生球化,Ti-Zr-O相表面出现裂纹,夹杂物平均直径略有升高。(3)四炉实验钢的最佳淬火温度分别为980℃、980℃、930℃和980℃,实验钢室温组织均为淬火马氏体。Ta-CLAM钢中析出相主要为球状M23C6和富Ta-MX相,Ti-CLAM钢析出相主要为球状M23C6和富Ti-MX相,Zr-CLAM钢析出相主要为球状M23C6和少量Zr、V的复合相,TiZr-CLAM钢析出相主要为M23C6和小颗粒的Ti-Zr复合相。(4)回火温度对四炉实验钢M23C6的析出行为有显著影响,随着回火温度的升高,M23C6析出相的尺寸和体积分数均有不同程度的提高。回火温度对四炉实验钢的MX析出相影响较小,Ta-CLAM钢中MX相仍为富Ta-MX相,Ti-CLAM钢中出现了(Ti,W)C,Zr-CLAM 钢中 MX 相为(Zr,V)(C,N),TiZr-CLAM 钢中 MX 相主要为(Zr,Ti)(C,N)。根据析出相定量统计结果,Ti的添加对M23C6析出相起到了一定的细化作用,而Zr-CLAM钢中的M23C6析出相则发生粗化。(5)四炉实验钢的最佳回火温度分别为750℃、650℃、700℃和700℃。其中,Ta-CLAM钢的抗拉强度为691 MPa、屈服强度为565 MPa、伸长率为23.3%、室温冲击功为210 J,Ti-CLAM钢的抗拉强度为721 MPa、屈服强度为610 MPa、伸长率为23.3%、室温冲击功为259 J,Zr-CLAM钢抗拉强度为702 MPa、屈服强度为595 MPa、伸长率为23.5%、室温冲击功为254 J,TiZr-CLAM钢的抗拉强度为705 MPa、屈服强度为570 MPa、伸长率为25.5%、室温冲击功为261 J。
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