【摘要】：聚變能被認為是人類能源問題的終極解決方案之一,聚變堆包層結構材料是否能夠長期安全服役是聚變堆能否安全運行的重要因素。目前,中國抗輻照低活化馬氏體鋼(CLAM)已經被選作ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)中國實驗包層模塊(Test Blanket Module)的首選結構材料。聚變堆包層需要在高溫和載荷耦合作用下長期服役,包層結構材料在服役過程中會發(fā)生蠕變現象。此外,在包層的加工制造過程中很有可能會引入各種微缺陷,同時在服役過程中也會有微缺陷的產生。微缺陷的存在將會加速蠕變孔洞的形核與長大并會引起包層部件中蠕變微裂紋的產生。在高溫和復雜載荷的耦合作用下,蠕變微裂紋會逐漸擴展,從而可能引起材料的失效,縮短包層部件服役壽命,影響聚變堆包層的安全服役。傳統(tǒng)的高溫部件設計方法中主要考慮預防部件的蠕變失效,忽略了蠕變裂紋擴展對部件結構完整性的影響。為了確保聚變堆包層部件的安全服役,開展聚變堆包層結構材料蠕變裂紋擴展行為研究與壽命預測就成為目前急需研究的課題之一。本文根據聚變堆包層的服役工況,開展了CLAM鋼單軸拉伸蠕變試驗和蠕變裂紋擴展研究工作,分析了溫度、應力和初始載荷等因素對CLAM鋼蠕變及蠕變裂紋擴展行為的影響機理,同時獲得CLAM鋼蠕變裂紋擴展速率。首先,開展了5000C、550℃及600℃下初始載荷在3650-6050N范圍內的CLAM鋼蠕變裂紋擴展實驗,研究了不同實驗條件下的蠕變裂紋擴展行為。研究表明,溫度和初始載荷對CLAM鋼蠕變裂紋擴展行為有顯著影響,溫度越高、初始載荷越大,蠕變裂紋擴展孕育期越短,蠕變裂紋擴展速率越�。浩渲�,蠕變裂紋擴展孕育期及穩(wěn)態(tài)蠕變裂紋擴展速率與初始載荷之間存在著冪律關系。另外,分析了C*參量、應力強度因子K和凈截面應力σnet與CLAM鋼蠕變裂紋擴展速率的關聯關系；分析表明C*參量更適合用來關聯蠕變裂紋擴展速率,擬合得到的蠕變裂紋擴展速率與C*參量之間的關系為：da/dt=3×(C*/1000)0.9。顯微組織分析結果表明,在試驗過程中的高溫及載荷作用下,試樣中會產生明顯的蠕變損傷,主要以蠕變孔洞為主。蠕變裂紋通過與蠕變孔洞的連接而逐漸擴展。其次,為了建立CLAM鋼蠕變裂紋擴展速率模型,開展了5000C、550℃及600℃下應力在170-230MPa范圍內的單軸拉伸蠕變試驗,分析了CLAM鋼的單軸拉伸蠕變規(guī)律。研究結果表明,溫度越高、應力越大,CLAM鋼蠕變壽命越低,穩(wěn)態(tài)蠕變應變速率越大；其中,穩(wěn)態(tài)蠕變應變速率與試驗應力的關系符合諾頓冪律方程。利用得到的CLAM鋼蠕變本構方程,建立了不同溫度下蠕變裂紋擴展速率模型。分析表明,平面應變條件下預測得到的蠕變裂紋擴展速率約為平面應力條件的預測得到的50倍。與試驗結果對照表明,平面應力狀態(tài)下的NSW模型能夠較好的預測材料的蠕變裂紋擴展行為,并且有一定的保守性。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TL627

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本文編號：2672111