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《江苏大学》 2011年
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奥氏体不锈钢的计算设计和核电蒸发器传热管材料的研究开发

李冬升  
【摘要】:材料计算设计是多学科交叉结合、相互渗透而产生的新兴领域,世界各工业发达国家都把它作为21世纪重点支持的研究方向之一,而我国在这方面的研究才刚刚起步。金属材料计算设计在70年代始于镍基超合金,发展到今天,已在陶瓷、玻璃、有机材料、金属等各方面都有一定的研究。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一类钢,在使用状态基本上是单相组织的材料,在其组织性能计算模拟方面的系统研究不多,戴起勋、程晓农等人在奥氏体钢计算设计数理模型的建立方面开展了许多开拓性的、有意义的工作。作者和所在的团队在理论研究和试验研究的基础上,结合各研究者实验数据和作者的大量研究结果建立了工程应用层次的奥氏体钢计算设计系统的系列数理模型。 在分析各研究者实验数据和作者的大量研究结果的基础上,作者研究了奥氏体不锈钢强度和塑性随温度与合金元素的变化规律。根据大量试验结果,经计算机处理得到高温强度、延伸率的定量计算的系列表达式:RP0.2293=R0.20+f(Me);Rm293=Rm0+f(Me); RP0.2=RP0.2293 exp(-GT); Rm=Rm293exp(-HT); A(%)=K(Me)exp[-(1-N)RP02300·10-3],可应用于奥氏体不锈钢高温强度和塑性的计算和设计。 选择奥氏体钢为对象,研究工程应用层次的材料计算设计系统。从智能的整体性原则出发,并充分考虑到系统的易实现性和易操作性,采用Visual Studio 2010编写可视化的奥氏体不锈钢专家系统。专家系统主要包括菜单栏和工具栏,功能分为不锈钢查询、组织分析、性能预测、成分设计和工艺设计,根据当前的研究工作,成分设计和工艺设计功能为预留功能。不锈钢查询程序内建了不锈钢信息数据库,主要包括不锈钢的成分、常规力学性能、牌号、代号和国别等内容,以便使用者能方便的查询不同牌号的不锈钢信息;组织分析功能模块,主要包括奥氏体组织判断、高温δ相计算、奥氏体钢中温组织转变计算、奥氏体钢相变温度计算和奥氏体钢层错能的计算;性能预测功能模块,主要包括奥氏体钢低温强度计算、低温强韧度计算和高温强度计算。 为我国核电装备的国产化,打破国外对核电传热管的垄断,在分析国际上蒸汽发生器传热管主流材料的基础上,运用合金化原理设计新型低成本Al耐热材料,保证新材料具有更好的抗氧化性能和组织稳定性能。主要思路是:①添加Al元素,提高材料的高温抗氧化性能;②加入Nb元素有效地提高材料的不同性能,抑制发生晶间腐蚀,促进含Al的高稳定氧化膜形成。采用真空感应熔炼炉(ZG-0.05)熔炼材料,用热场发射JSM-7001F扫描电镜和JEM-2100(HR)型高分辨透射电镜观察金相组织和断口,日本理学D/MAX2500PC型射线衍射仪进行物相分析,使用RDL100型电子高温蠕变试验机进行蠕变试验,并对奥氏体不锈钢进行高温氧化试验。 显微组织分析表明,800H和HDG-Al两种材料的基体组织为奥氏体,800H第二相主要有两种,一种是形状规则数量较少的Ti的氮化物,另一种是呈长条状或斑状主要分布在晶界的Cr的C化物。HDG-Al的第二相除了Cr的C化物还有Nb的C化物。对两种材料进行了力学性能试验,800H和HDG-Al的室温抗拉强度都远高于ASME最低值,尤其是HDG-Al,高出规定值40%,延伸率也满足规定值;进行了650℃高温短时力学性能试验,抗拉强度上800H和HDG-Al都超过Special Metals Corporation给出值,而HDG-Al远高于给出值;蠕变试验结果表明,HDG-Al的蠕变强度明显优于800H。拉伸断口都有明显的缩颈现象,正断区断口形貌都是典型的等轴韧窝,有明显的剪切区,冲击断口没有放射区,纤维区都比较粗糙,断口形貌都为等轴韧窝状;蠕变断口呈脆性,都是沿晶断裂,晶界显微孔洞和三叉晶界处出现的裂纹导致材料蠕变断裂。 不同氧化物形成的Gibbs自由能不同,所以不同合金高温氧化膜的结构也会有所差别。800H在700℃氧化后其氧化膜主要由(Cr,Fe)2O3组成,尖晶石结构的FeCr2O4很少;800℃氧化膜主要由(Cr,Fe)2O3、FeCr2O4和少量YiO2组成;在900℃时(Cr,Fe)2O3的含量变低,YiO2的量则增多,出现大量化合物(Fe2.5Ti0.5)1.04O4。HDG-Al的抗氧化性能明显优于800H,氧化膜更致密,在700℃氧化膜的氧化物主要是(Fe0.6Cr0.4)2O3和少量Al的氧化物,800℃和900℃氧化膜主要是(Al0.9Cr0.1)2O3。从氧化动力学曲线可知,根据平均氧化速度的评级标准,两种材料“完全抗氧化”。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TL341

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