表面粗糙度对氧化物弥散强化钢板高温蠕变性能的影响

2022-03-15齐海东梅健远宋西平

理化检验(物理分册) 2022年1期

齐海东,梅健远,宋西平,张蓓

(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)

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200 r/min，球磨时间为50 h；(2)将球磨后得到的混合粉末压制后在1 100 ℃，70 MPa条件下进行真空烧结，烧结时间为2 h；(3)对烧结后的材料进行包套处理，并在1 150 ℃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1 h，冷却方式为随炉冷却)、淬火(淬火温度为1 050 ℃，保温时间为0.5 h，冷却方式为水冷)、回火(回火温度为750 ℃，保温时间为1 h，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0.800 mm(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0.025 mm(记为打磨试样)，再用抛光机进行抛光后，试样表面粗糙度为0.012 mm(记为抛光试样)。

在800 ℃，80 MPa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。

图2 不同试样在800 ℃，80 MPa条件下的高温蠕变曲线

表1是不同试样在800 ℃，80 MPa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。

表1 不同试样在800 ℃，80 MPa条件下的稳态蠕变速率和蠕变寿命

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0.52 h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0.55 h时，铣削试样被拉断，断口表面不平整。

图3 不同蠕变阶段铣削试样表面裂纹及断口的SEM形貌

由图4可见：当打磨试样蠕变试验进行至1.7 h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1.8 h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1.87 h时，试样被拉断，断口表面不平整。

图4 不同蠕变阶段打磨试样远离断口及断口附近表面裂纹的SEM形貌

由图5可见：当抛光试样蠕变试验进行至5.2 h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5.5 h(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5.71 h时，抛光试样被拉断，断口表面不平整。

图5 不同蠕变阶段抛光试样远离断口及断口附近表面裂纹的SEM形貌

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。