齐海东1,梅健远1,宋西平1,张 蓓2

(1.北京科技大学 新金属材料国家重点实验室,北京 100083; 2.北京科技大学 自然科学基础实验中心,北京 100083)

摘 要:采用高温原位疲劳试验机对氧化物弥散强化(ODS)钢板进行高温蠕变试验,分析了表面粗糙 度对 ODS钢板高温蠕变性能的影响。结果表明:随着表面粗糙度的减小,ODS钢板的稳态蠕变速率减 小,蠕变寿命延长,试验后钢板表面裂纹数量减少;ODS钢板表面裂纹是由其表面纵向分布的划痕与横 向分布的滑移线相互作用形成的,随着时间的延长,裂纹扩展、相互连接,最终导致钢板断裂。

关键词:表面粗糙度;ODS钢;高温蠕变

中图分类号:TL341 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)01-0001-04

氧 化 物 弥 散 强 化 (Oxide Dispersion- Strengthened,ODS)钢是一种新型的结构材料,因 其具有优异的高温性能和抗辐照性能,常用于反应 堆结构材料[1-3],尤其在替换锆合金作为包壳材料方 面,ODS 钢 的 使 用 温 度 (500~700 ℃)比 锆 合 金 (280~320 ℃)的高。在反应堆发生失水事故时,锆 合金包壳会与水蒸气发生水解反应产生大量氢气, 造成氢气爆炸事故,而 ODS钢不会与水蒸气反应生 成氢气,可以避免该类事故的发生。因此,ODS钢 在核反应堆条件下的应用比锆合金更有优势。

高温蠕变性能是 ODS钢在核反应堆条件下的 首要力学性能评价指标[4]。SEILS等[5]研究了温度 对奥氏体、铁素体 ODS钢蠕变性能的影响,结果表 明,当温度高于500℃时,随着温度的升高,奥氏体、 铁 素 体 ODS 钢 的 抗 蠕 变 性 能 逐 渐 减 弱。 JAUMIER等[6]比 较 了 含 9% (质 量 分 数)和 14% (质量分数)铬的 ODS钢管的抗蠕变性能,结果表明 含14%铬 ODS钢管轴向上的抗蠕变性能要优于含 9%铬 ODS钢管。目前,关于表面粗糙度对 ODS钢 高温蠕变性能影响的研究报道较少。

笔者采用高温原位试验机对 ODS钢板进行高 温蠕变试验,分析了表面粗糙度对 ODS钢高温蠕变 性能的影响,以期为 ODS钢在核反应堆条件下的应用提供参考依据。

1 试验材料与试验方法

试验材料为 ODS钢,其主要成分(质量分数)分 别为1%Fe,9%Cr,2%W,0.2%Ti,0.13%C,0.35% Y2O3。ODS钢板生产工艺为:(1)将各金属粉末和 Y2O3 颗粒 在 球 磨 机 中 进 行 球 磨,球 磨 机 转 速 为 200r/min,球磨时间为50h;(2)将球磨后得到的混 合粉末压制后在1100 ℃,70MPa条件下进行真空 烧结,烧结时间为2h;(3)对烧结后的材料进行包 套处理,并在1150 ℃下进行锻造;(4)对锻造后的 材料进行多道次冷轧,经退火(退火温度为750 ℃, 保温时间为1h,冷却方式为随炉冷却)、淬火(淬火 温度为1050 ℃,保温时间为0.5h,冷却方式为水 冷)、回火(回火温度为750 ℃,保温时间为1h,冷 却方式为空冷)处理后得到 ODS钢板。在 ODS钢 板上截取蠕变试样,其尺寸如图1所示。对试样表 面分别进行铣削、砂纸打磨和抛光处理。 图1 ODS钢板蠕变试样尺寸

依据ISO9001标准,将 ODS钢蠕变试样与标 准表面粗糙度比较样块进行比较。经铣削加工后的 试样表面粗糙度为0.800μm(记为铣削试样),采用 砂纸对铣过的试样进行逐级打磨后,试样表面粗糙 度为0.025μm(记为打磨试样),再用抛光机进行抛 光后,试 样 表 面 粗 糙 度 为 0.012μm(记 为 抛 光 试 样)。

在800 ℃,80MPa条件下,采用日本岛津公司 生产的 SEM-SERVO 型高温原位疲劳试验机对不 同表面粗糙度的 ODS钢板蠕变试样进行高温蠕变 试验,采用原位扫描电镜(SEM)对高温蠕变过程中 试样表面的微观形貌进行观察

2 结果与讨论

2.1 不同试样的高温蠕变曲线

由图2可见:抛光试样的高温蠕变过程可分为 三个阶段,第一阶段为减速蠕变阶段,第二阶段为恒 速蠕变阶段,第三阶段为加速蠕变阶段[7];打磨试样 的高温蠕变过程没有明显的第一阶段,仅存在第二、 三阶段;铣削试样的高温蠕变过程也仅存在第二、三 阶段,且第二阶段时间较短。

表1是不同试样在800℃,80MPa条件下的稳 态蠕变速率和蠕变寿命,可见随着试样表面粗糙度 的减小,其稳态蠕变速率显著减小,蠕变寿命延长。

2.2 不同试样高温蠕变过程中裂纹的萌生及扩展

由图3可见:当铣削试样高温蠕变试验进行至0.52h时(蠕变第三阶段),其表面出现大量裂纹,这 是由于试样表面粗糙度较大,表面缺陷较多,试样在 高温和应力作用下产生裂纹;当高温蠕变试验进行 至0.55h时,铣削试样被拉断,断口表面不平整。

由图4可见:当打磨试样蠕变试验进行至1.7h 时(蠕变第三阶段),其表面出现了裂纹,裂纹数量较 处于同一蠕变阶段铣削试样的少;当打磨试样蠕变试 验进行至1.8h时,表面裂纹扩展并产生新的裂纹,但 裂纹数量仍较处于同一阶段铣削试样的少;当蠕变试 验进行至1.87h时,试样被拉断,断口表面不平整。

由图5可见:当抛光试样蠕变试验进行至5.2h 时(蠕变第三阶段),表面开始出现裂纹,但裂纹数量 较处于同一蠕变阶段打磨试样的少;当抛光试样蠕 变试验进行至5.5h(蠕变第三阶段)时,抛光试样表 面裂纹明显扩展并产生新的裂纹,但裂纹数量仍少 于同一蠕变阶段打磨试样的;当抛光试样蠕变试验 进行至 5.71h 时,抛 光 试 样 被 拉 断,断 口 表 面 不 平整。

综上分析可知,随着试样表面粗糙度的增大,试 样表面裂纹明显增多,且试样的蠕变寿命大大降低, 这说明粗糙度较大引起的表面裂纹增多是导致试样 蠕变断裂的原因。

2.3 不同试样表面及断口的微观形貌

由图6a),c),e)可见:铣削试样远离断口表面 存在大量纵 向 分 布 的 划 痕,这 些 划 痕 与 横 向 分 布 的滑移线交 割 形 成 裂 纹;打 磨 试 样 远 离 断 口 表 面 纵向分布的划痕较少,表面裂纹数量较少;抛光试 样远离断口 表 面 几 乎 没 有 纵 向 分 布 的 划 痕,表 面 裂纹数量 较 少。因 此,随 着 试 样 表 面 粗 糙 度 的 减 小,试样远离 断 口 表 面 纵 向 分 布 的 划 痕 数 量 逐 渐 减少、甚至 消 失,表 面 裂 纹 数 量 逐 渐 减 少。 由 图 6b),d),f)可见:试样断口附近表面裂纹呈多源萌 生、裂纹相互贯通的形貌特征,这是断口不平整的 主要原因。

3 结论

(1) 随 着 ODS 钢 板 表 面 粗 糙 度 的 减 小 (由 00.12mm减小至0.800μm),其稳态蠕变速率减小(由 14.6×10-4s-1 减小至3.35×10-6s-1),蠕变寿命延长(由 05.5h延长至57.1h),ODS钢板表面裂纹数量减少。 (2)ODS钢板表面裂纹是由其表面纵向分布 的划痕与横向分布的滑移线相互作用形成的,裂纹 扩展、相互连接,最终导致钢板断裂。

参考文献:

[1] 王东伟,战东平,屈乐欣,等.烧结温度对9CrODS钢 力学性 能 的 影 响 研 究 [J].金 属 功 能 材 料,2020,27 (3):11-17. [2] 彭艳艳,余黎明,刘永长,等.650 ℃时效对9CrODS 钢显微 组 织 和 性 能 的 影 响 [J].金 属 学 报,2020,56 (8):1075-1083. [3] CHAUHANA,STRA?BERGERL,FüHRERU,etal. Creep-fatigueinteractioninabimodal12CrODSsteel [J].InternationalJournalofFatigue,2017,102:92-111. [4] 田耘,柳光祖,单秉权,等.快堆包壳用 ODS铁素体合 金的蠕变性能[J].粉末冶金技术,2001,19(1):16-19. [5] SEILSS,KAUFFMANN A,HINRICHS F,etal. Temperaturedependentstrengtheningcontributions inausteniticandferritic ODSsteels[J].Materials ScienceandEngineering:A,2020,786:139452.