RPV模拟钢中纳米富Cu相的晶体结构演化及变形特征的研究

【摘要】核电具有安全、经济、清洁和高效等优点，发展核电对减少环境污染，缓解能源需求有重要的战略意义。核反应堆压力容器（RPV）为核反应堆的第三道安全屏障，因体积庞大，不可更换，所以其安全工作的年限是决定核反应堆使用寿命的关键因素。RPV钢经受高能量快中子的长期辐照，引起韧脆转变温度（DBTT）升高，材料发生脆化。压水堆核电站所用RPV钢一般采用Mn-Ni-Mo低合金铁素体钢制造，Cu是RPV钢中无法除掉的杂质元素，在服役过程中会析出纳米富Cu相，这也是RPV钢辐照脆化的主要原因之一。目前，主要采用中子辐照和热时效两种方法对其进行研究。中子辐照可以反映辐照损伤引入多种晶体缺陷存在时纳米富Cu相的析出情况，但由于辐照费用昂贵，且辐照后的材料具有一定的辐射剂量，国际上也采用热时效的方法来研究纳米富Cu相的析出，为进一步了解中子辐照下纳米富Cu相的析出打下基础。本研究参照国际上应用最广泛的A508-IIIRPV钢的化学成分，将Cu的含量提高至0.5~0.6wt.%，并改变了Mn和Ni的含量，制备了3种成分不同的材料，将样品加热到890℃保温0.5h后水淬，然后分别在“400℃直接时效”、“500℃直接时效”、“660℃高温回火10h+400℃时效”、“660℃高温回火10h+500℃时效”四种不同的热处理制度，用原子探针层析技术（APT）、透射电镜（TEM）、高分辨率透射电镜（HRTEM）和能谱仪（EDS）结合的方法研究了热处理工艺、Ni，Mn合金元素对纳米富Cu相析出的影响，纳米富Cu相析出时晶体结构的详细演化序列，镶嵌在-Fe基体内纳米富Cu相的变形特征及AlN/-Fe相界面处富Cu相的析出及原子偏聚的特征等，得出的主要结论如下：（1）采用APT的方法研究了纳米富Cu团簇的析出长大过程。当时效温度一定，随着时效时间延长，纳米富Cu团簇的数量密度先升高后下降，尺寸则呈逐渐增加的趋势，纳米富Cu团簇的粗化过程与LSW理论吻合得较好。随着纳米富Cu团簇的长大，团簇中Ni和Mn原子从中心向外逐步被排出至界面上，Ni原子相对Mn原子更易于向界面处迁移。（2）在相同的热处理条件下，Mn单一存在和Ni、Mn同时存在的两种RPV模拟钢样品中析出纳米富Cu团簇的过程有所不同。Ni、Mn同时存在时比Mn单一存在时纳米富Cu团簇数量密度达到最大值所需的时效时间短，但在相同的时效时间处理后尺寸偏小。说明Ni、Mn同时存在时，促进了纳米富Cu团簇的析出，但降低了其长大的速率。（3）淬火后直接时效的样品，随时效时间的延长，样品的电导率逐渐上升，时效时间达到一定值时，电导率趋于稳定；调质后，在500℃时效不同时间，样品的电导率随时效时间的延长先升高，后下降，最后达到比较稳定的状态。Ni、Mn同时存在的样品在各个时效条件下的电导率都比Mn单一存在样品的低。（4）用HRTEM观察到纳米富Cu相在析出过程中晶体结构的复杂演化过程。从b.c.c结构到9R多重孪晶结构的演化过程中，b.c.c.结构可以先转变成正交9R结构，再形成单斜9R结构。观察到b.c.c/正交9R以及单斜9R/正交9R分别同时存在于同一个富Cu析出相中。（5）用HRTEM观察到同一富Cu相中存在3种不同的晶体结构，并分别分布在5个不同的区域中，包括1处9R、2处f.c.c和2处3R（fct）结构。9R结构与相邻的2个f.c.c结构形成的界面都具有特定的晶体取向，呈半共格关系，是由非孪晶9R结构演化而来。2处3R结构互为孪晶关系，是由孪晶9R结构演化而来。这说明纳米富Cu相析出时晶体结构的演化除了常见的b.c.c→孪晶9R→非孪晶3R（f.c.t）→非孪晶f.c.c这一序列外，还可能存在另两种新的演化序列，即b.c.c→非孪晶9R→孪晶f.c.c；b.c.c→孪晶9R→孪晶3R（f.c.t）→孪晶f.c.c结构。（6）用“碳膜萃取复型”法研究了镶嵌在-Fe基体中的纳米富Cu相的变形特征。当纳米富Cu相的晶体处于有利取向时，可以跟随基体一起发生滑移变形，表现为“软”粒子的特性；当它们处于不利取向时，会发生孪生变形，甚至诱发马氏体相变，表现为“硬”粒子的特征。孪生变形为纳米富Cu相主要的变形方式，当轧制变形量达到30%时，纳米富Cu相形成了“轮毂辐条”状的五重孪晶结构；在孪生变形的纳米富Cu相中，观察到了平直的孪晶界、有缺陷的孪晶界及折线型的孪晶界三种类型，这与纳米富Cu相周围的应力有关。（7）用APT的方法研究了AlN/-Fe相界面处原子的偏聚及富Cu相的析出特征。Ni、Mn、C和P原子在AlN相/-Fe和富Cu相/-Fe两种相界面上都会发生偏聚，偏聚特征没有明显的区别，都是Mn的偏聚倾向大于Ni，C的偏聚倾向大于P；但是同一种原子在同一种相界面的不同方位处，偏聚倾向又有一定的差别，这与界面的能量特征有关。Ni、Mn、C和P原子在富Cu相/AlN相界面上不发生偏聚。
【作者】冯柳；
【导师】周邦新；
【作者基本信息】上海大学，材料学，2014，博士
【关键词】RPV模拟钢；热时效；纳米富Cu相；高分辨透射电镜；原子探针层析技术；晶体结构；

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