（材料加工工程专业论文）核电一回路管道用双相不锈钢组织与性能研究.pdf

学 核电一回路管道用双相不锈钢组织与性能研究 科：材料加工工程 研究生签字：铸 指导教师签字： 摘要 铸造双相( 奥氏体铁素体) 不锈钢因兼具有奥氏体钢和铁素体钢的优点而广泛用于 制作核电站压水堆一回路主冷却剂管道、阀体和冷却泵等压力边界部件。但是在反应堆冷 却剂运行温度( 一般范围为2 8 8 3 2 7 c ) 下长期工作，铸造双相不锈钢会产生热老化脆化，并 且随着热老化脆化程度的增加，会引起压力边界部件的临界裂纹尺寸会下降，进而威胁一 回路压力边界的完整性和核电站的安全运行。因此，为了清楚了解铸造双相不锈钢的热老 化机理，并根据老化机理对核电站正常运营提供指导，来延长核电站寿命以及提高电站经 济效益，有必要对铸造双相不锈钢长时间热老化后的机理进行研究。 本文通过金相显微镜、透射电镜、扫描电镜、拉伸试验、夏比冲击试验以及韧脆转变 温度的测定等方法，分别对4 0 0 c ) j h 速热老化不同时长的国产及法国产z 3 c n 2 0 0 9 m 铸造 双相不锈钢的组织结构、室温和高温力学性能、韧脆转变温度及断裂机理进行了研究，主 要结果如下： 两种钢原始态显微组织均为奥氏体基体上分布着不连续的岛状铁素体，铁素体的主要 形态为花边状和条带状，且热老化时长对铁素体的形态没有明显影响。热老化初期，奥氏 体基体上有大量位错和缠结以及高密度的层错，但随热老化时间的延长，基体中的位错缠 结程度明显减减轻，层错数量大大减少，并且在位错、相界及晶界上出现了析出物。 取样位置对国产铸造双相不锈钢室温及高温拉伸性能没有显著影响，而对法国产铸 造双相不锈钢室温及高温拉伸强度有显著影响。热老化时间对国产钢管的室温强塑性及高 温抗拉强度和塑性影响显著，长时间热老化对法国钢管室温强度及高温强塑性有显著影 响。两种钢室温及高温拉伸形变强化均可分为3 个阶段，屈服形变强化阶段 1 、前均匀 形变强化阶段以2 、后均匀形变强化阶段刀3 ，且形变硬化指数n l n 2 3 5 的高钼双相不锈钢而言，钼量增加，对钢脆性的影响更加严重，这是影 响此种双相不锈钢发展和应用的主要障碍。但是除了氧化性介质外，钼对仅+ 丫双相不锈 钢耐还原性介质腐蚀，耐点蚀，耐缝隙腐蚀的良好作用倍受人们的关注。正是如此，除了 西安工业大学硕士学位论文 一j - 瞄昌号置声毫奄瞬= 昌：；昌重| 罨；= =昌；昌薯商；= = = ；皇声皇尊= 皇= 葺_ 昌墨牟昌墨_ 暑昌昌毒昌皇i _ c r 、n i 之外，m o 也是c t + ，双相不锈钢中最重要的合金化元素之一。 w ：钨的作用与钼类似，也是形成铁素体的元素。 1 3 双相不锈钢的发展与应用 1 3 ：l 我国双相不锈钢的发展和现状 为了更好的解决1 8 8 奥氏体型不锈钢在氯化物介质中应力腐蚀的情况，我国在7 0 年 代中期进行了双相不锈钢的研发工作，不同型号的a + y 双相不锈钢在此时先后研发出来 并开始应用，例如1 c r 2 1 n i 5 t i ，0 0 c r 2 6 n i 6 t i ，0 0 c r 2 6 n i 7 m 0 2 t i ，0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 ( 3 r e 6 0 ) 和0 0 c r l 8 n i 6 m 0 3 s i 2 n b 等。从1 9 7 4 年开始，北京钢铁研究总院开始对双相不锈钢材料及 其耐腐蚀和焊接性能开展研究，取得丰硕的成果，创建了我国双相不锈钢体系。为解决钢 材在氯化物介质中的点蚀、缝隙腐蚀等缺陷，8 0 年代我国在分析国外双相钢发展的起初 上又仿制并研发了含n 元素的第二代0 【+ 丫型双相不锈钢，正如0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 2 n ， 0 0 c r 2 5 n i 6 m 0 3 n 和0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 3 w c u n ，这一重大发展丰富了我国双相不锈钢品种p 列。 铬、镍、钼是不锈钢中的主要元素，其中镍的价格是最昂贵的，这就导致不锈钢成本 显著增加。随着我国不锈钢需求量的增加，也就间接增加了镍的需求，导致目前国内镍的 价格高达l1 0 0 0 美元吨。为了降低钢中镍的含量，就采用在双相不锈钢中增加氮的含量的 方法，这样就可以减少镍价格对不锈钢价格的影响。而加n 的双相钢又可以具有含n i 不锈 钢所具有的良好耐应力腐蚀性、高强度和易于加工制造等优点，在许多领域中已代替奥氏 体不锈钢。我国主要研制的含氮钢，把氮作为合金元素来提高不锈钢的强度，改善疲劳、 蠕变性能，又可以使不锈钢耐蚀性增强，。特别在耐点蚀和缝隙腐蚀性t i l t ：更为突出。我国 在发展含氮不锈钢方面已经进行了大量的研究，我国将在不锈钢生产中镍的用量节约达 到4 0 5 0 定为目标，所以国内广泛推广双相不锈钢具有重要的现实意义和经济意义j 。 目前我国已拥有5 个钢种的系列牌号，低铬的钢种已经纳入了国家标准，而其余钢种 仍在按企标生产，c r 2 2 和c r 2 5 型的双相不锈钢将被考虑纳入国标。近些年来我国在新型 不锈钢的开发和研究方面做出了许多努力，也取得了丰硕成果。例如大连理工大学与大连 耐酸泵厂合作开发的多种硅、钼含量不同的奥氏体和a + 丫双相铸造不锈钢已经经过高温 浓硫酸、稀硫酸、盐酸、硝酸、碱及磨损腐蚀等场合测试，取得了较好效果，与国外相比 较降低了生产成本或提高了钢材的耐蚀性能。中科院金属腐蚀与防护所研制的f s - l 耐硫 酸不锈钢在不同浓度硫酸中仍然具有良好耐蚀性能，已成功应用在硫酸工业中。并且从应 用中的测试结果看到其耐蚀性与美国镍基合金l e w m e t 相当，而价格比l e w m e t 合金减 少2 3 ，且更易于生产。上海材料研究所也在国家科技攻关计划扶植下，在3 1 6 不锈钢基 础上提高了钼元素的含量和加入了其它元素，成功开发出c 1 5 不锈钢，这种钢在海水和氯 离子介质中具有更高耐蚀性，经测试已经达到美国a l 2 6 x ( 0 0 c r 2 0 n i 2 5 m 0 6 ) 的水平，且其 成本低易于生产加工l j 引。 近年来我国对双相不锈钢的研究越来越多，各种新型不锈钢的开发层出不穷，双相不 1绪论 锈钢的应用会越来越多，可以预料今后我国铸造双相不锈钢一定会向价格更低、功能更强、 应用更广的方向快速发展。 1 3 2 国外双相不锈钢的发展历程 英国与德国在2 0 世纪2 0 年代最先开始了不锈钢研究。最早发展的不锈钢是以f e 、 c r 为主的铁素体和马氏体不锈钢。这种不锈钢在空气中的耐腐蚀性比普通的钢要优异许 多。但由这种不锈钢的合金化程度不高，杂质含量也较大，在酸性介质中的耐腐蚀