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0402310S不銹鋼管材料基本性能測試與分析

作者:bet36体育网站已浏览: 126次 日期:2020-04-07

bet36体育网站310S不銹鋼管為退火態的管材,bet36体育网站310S試驗材料化學成分見表,滿足ASMESA240,ASMECodeCase2115-1的GB5310-2009要求,硫含量很低,碳含量為0.07%,添加了氮和鈮(加0.2%~0.6%鈮的目的是穩定材料中的碳),因此,該310S材料也可稱為HR3C。表為幾種核電常用堆內結構材料的化學成分,這幾種材料也曾作為SCWR候選材料被研究過,包括18-8型不銹鋼316Ti(低碳)、347,高級奧氏體不銹鋼6XN,鐵鎳基合金800、825,鎳基合金718。由表可知,310S不銹鋼管化學成分中,鉻、鎳鈍化元素的含量均高于普通18-8型不銹鋼管的,鎳含量低于鐵鎳基合金的。鋼中碳元素以及鉻、鎳元素的含量與配比,很大程度上決定了不銹鋼的性能。依次分析三元素在310S不銹鋼管的添加情況和影響,最后分析其他重要合金元素的影響,可了解310S不銹鋼材料的預期性能。

首先,是碳元素的影響。310S不銹鋼管中的碳含量為0.07%,屬于低碳含量范圍,當材料成分中碳含量小于0.08%時,中國牌號前加0,即0Cr25Ni20。碳質量分數越低,熔煉越困難,價格也越高。碳含量低,不銹鋼的耐蝕性變好。碳是擴大奧氏體相的元素,碳以間隙的方式固溶在奧氏體的面心立方晶格中,對奧氏體起到固溶強化的作用,能提高310S不銹鋼管的強度。室溫時,碳在面心立方晶格中的溶解度超過此值(0.03%),會以過飽和的形式析出,所以低碳不銹鋼(C≤0.08%)一般都具有晶間腐蝕的可能性。由于碳容易與鉻結合,形成各種碳化物,例如,高鉻含量的Cr23C6,當它在晶界形成時,碳將與17倍于碳量的鉻結合,晶界附近的鉻含量降低,電位降低,在腐蝕過程中易成為陽極區發生溶解。晶內仍保持了大陰極狀態,晶界和晶內的電位差,可使材料引起晶間腐蝕。因此,為了防止晶間腐蝕,一種方法是降低碳含量,使碳完全固溶在奧氏體中,碳不會過飽和析出形成Cr23C6,晶間腐蝕傾向小;一種方法是加穩定化元素如鈦和鈮等,并配合穩定化處理工藝,本文中的310S不銹鋼管添加的是穩定化元素鈮。

其次,是鉻元素的影響。鉻加入到鐵中形成固溶體時,會顯著提高鐵固溶體的電極電位,根據n/8定律,當鋼中含12.5%以上的鉻量時,固溶體電位發生變化,產生一個突躍升高,耐蝕性能也因而得到一個突躍提高,使材料具有―不銹性。當鉻含量超過18%時,會促進鐵素體的形成,并且,鉻含量增加會促使硬脆相-σ相的產生。在對材料耐蝕性的貢獻中,鎳也有助于鈍化,本研究材料中鉻、鎳含量的總和為(17~23)%+(24~26)%=(41~49)%,達到了n=3,并接近n=4,在保持單相組織的情況下,獲得了很好的耐蝕性。

最后,是鎳元素的影響。鎳是不銹鋼中三個重要元素之一,除提高耐蝕性外,還是γ穩定劑元素,是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進奧氏體相形成的主要元素。還能有效地降低Ms點,使奧氏體保持到低溫-50℃以下。而且,隨著鎳含量增高,奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕的臨界應力值和時間越大,即對應力腐蝕不敏感。有研究指出:抗應力腐蝕的大小順序為310(20%Ni)不銹鋼>316(12%Ni)不銹鋼>304(8%-10%Ni)不銹鋼。當鎳含量高于32%,例如鎳基合金,其應力腐蝕敏感性很小。但在受到輻照時,鎳會產生脆問題,而且制造中采用的電解鎳含有難以分離的鈷雜質,鈷在輻照后會生成強γ輻照產物。所以,采用鎳含量相對較低的不銹鋼材料有利于降低腐蝕產物輻照以后對設備產生的放射性污染。

此外,310S不銹鋼管中添加的重要合金元素是鈮。鈮能與碳形成碳化物NbC,當鈮、碳含量之比為8:1,可避免310S不銹鋼的晶界上形成Cr23C6(Cr、C含量之比為17:1),避免貧鉻區的產生。NbC的形成,可提高310S不銹鋼抵抗晶間腐蝕的性能。并且,鈮通過沉淀強化,形成合金碳化物和金屬間化合物,與母相保持共格和半共格關系,能提高材料熱強性,所以會提高不銹鋼的蠕變強度。鈮的加入量一般為碳含量的10倍左右,如C=0.07%,則Nb=0.7%,不宜過高,因為鈮是擴大α相(鐵素體相)元素,會降低310S不銹鋼基體組織的穩定性。且鈮的加入會降低焊縫的韌性,引起焊接熱裂紋。本研究中的鈮、碳含量(0.4%、0.07%)之比不足8:1。氮同碳一樣,置換固溶在面心立方晶格四面體間隙中,從而提高不銹鋼的強度,而且,氮和碳相互促進在奧氏體中的溶解度,氮會提高材料強度,且不降低材料的耐腐蝕能力。碳+氮控制在一定范圍內(例如,普通18-8型奧氏體不銹鋼一般控制在0.12%以內),以使材料獲得比較綜合的性能。但碳、氮同鎳一樣,是輻照有害元素,應限制加入太多。其他的雜質元素,例如磷、硫等要盡量控制,越低越好。綜上分析,310S不銹鋼管具有較佳的成分匹配,預期在超臨界水冷堆中具有較好的應用價值。