690合金中晶界特征分布及其演化机理的研究

论文摘要

690合金作为压水反应堆的蒸汽发生器传热管材料,已经逐渐代替600合金,虽然取得了较好的效果,但随着核电工业的发展,进一步提高蒸汽发生器可靠性是急待研究的问题。蒸汽发生器传热管道破坏泄漏的主要原因在不同时期有不同的情况,从近几年统计的结果来看,现在与晶界有关的应力腐蚀和晶间腐蚀仍然是蒸汽发生器传热管道破坏的主要原因。包括690合金在内的绝大部分工程材料都是多晶体,材料的性能与其显微组织及晶界特性有着非常紧密的联系。如晶间腐蚀、断裂、合金及杂质元素的偏聚、蠕变等问题,都会受到晶界结构特征的影响。1984年Watanabe提出了晶界设计与控制这种概念,继而在上世纪90年代形成了“晶界工程（grainboundary engineering GBE）”这一研究领域.通过合适的形变及退火工艺,可以明显提高材料中的低∑CSL（CSL是“coincidence site lattice”的缩写,即重位点阵。低∑CSL是指∑≤29）晶界比例,优化其分布,就可以改善材料与晶界有关的多种性能。本工作应用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和取向成像显微技术（OIM）研究了加工和热处理工艺对690合金的晶界特征分布（各种晶界所占的比例）的影响。仔细观察分析了形变后退火过程中690合金的显微组织结构的演化过程,阐明了形变退火工艺与晶界特征分布之间关系及其演化的机理。通过晶间腐蚀试验考验了含有不同比例低∑CSL晶界690合金的耐腐蚀能力,探讨了其中的机理。得出以下主要结论:1)在低层错能面心立方金属690合金中,低∑CSL晶界比例的提高是基于退火孪晶（∑3）的形成,退火前的冷轧压下量在调整晶界特征分布中起关键作用。冷轧5%再在1100℃退火5min可使690合金的低∑CSL晶界比例提高到70%以上（按Palumbo-Aust标准统计）,这时形成了数百微米尺寸的“互有∑3n取向差关系晶粒的团簇”是其显微组织的重要特征（n为正整数,在低∑CSL范畴中只有n=1,2,3）。这种晶粒团簇的尺寸和内含∑3n晶界的数量随冷轧压下量的增加而下降。初始经过固溶处理或固溶后再时效处理对690合金经过冷轧5%再在1100℃退火后的晶界特征分布影响不大。将冷轧和退火工艺重复使用,和单次处理效果基本一致。2)再结晶形核密度和多重孪晶的发展是控制690合金晶界特征分布的关键因素。“互有∑3n取向差关系晶粒的团簇”是由再结晶时一个再结晶晶核在长大过程中不断产生退火孪晶,发生多重孪晶形成孪晶链而形成的。形变量小,形核密度低致使再结晶晶核有充分的空间发展,再结晶晶核与形变基体之间的随机晶界有很长的迁移距离,在不断迁移的过程中就能不断产生退火孪晶,发生多重孪晶,从而发展出很长的孪晶链,形成了大尺寸的晶粒团簇,同时也提高了∑3n晶界的比例。因此,小形变量冷轧后再在高温短时间再结晶退火可以明显提高低∑CSL晶界比例。形变量越大,形核密度就越高,使得晶粒团簇尺寸小,∑3n晶界比例也就低。3)对于低∑CSL晶界比例高的样品来说,用Brandon标准判定时得到的随机晶界网络的连通性可以明显被一些低∑CSL晶界片段打断,但这些低∑CSL晶界的相对偏差都很大。而用更为严格的Palumbo-Aust标准统计时随机晶界网络的连通性几乎不会被打断。因此,低∑CSL晶界比例提高以后随机晶界网络的连通性可以被打断的说法并不可靠。4)低∑CSL晶界比例高的样品比低∑CSL晶界比例低的样品耐晶间腐蚀性能明显好,其原因是前者晶粒团簇的尺寸明显比后者大,形状也不规则,并不是由于随机晶界网络的连通性被打断的缘故。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 我国核电的发展状况
• 1.1.2 核电站蒸汽发生器使用材料及面临的问题
• 1.2 晶界的基本概念
• 1.2.1 晶界的分类
• 1.2.2 晶界的自由度
• 1.2.3 重位点阵晶界
• 1.3 基于退火孪晶的晶界工程研究概况
• 1.3.1 本研究领域的研究团队及所关注的问题
• 1.3.2 提高低∑CSL晶界比例的加工工艺
• 1.3.3 提高低∑CSL晶界比例的机理及几种模型
• 1.3.3.1 层错、退火孪晶及多重孪晶
• 1.3.3.2 "∑3再激发模型"
• 1.3.3.3 高∑值CSL晶界分解模型
• 1.3.3.4 非共格∑3形核模型
• 1.3.4 基于退火孪晶晶界工程的应用案例
• 1.4 本论文研究工作的目的与主要研究内容
• 第二章 实验方法及原理
• 2.1 样品制备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 样品的变形方式
• 2.1.3 样品的热处理方式
• 2.1.4 电解抛光
• 2.1.4.1 电解抛光的优点
• 2.1.4.2 电解抛光的基本原理
• 2.1.4.3 690合金的电解抛条件
• 2.2 样品表面的形貌观察
• 2.2.1 光学显微镜
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.3 电子背散射衍射技术
• 2.3.1 电子背散射衍射技术的概述
• 2.3.2 EBSD的基本结构
• 2.3.3 菊池花样的形成及收集
• 2.3.4 对衍射花样的解释
• 2.3.5 自动标定及取向测定
• 2.3.6 EBSD实验过程中应注意的事项
• 2.4 腐蚀实验
• 第三章 控制690合金低∑CSL晶界比例的加工工艺研究
• 3.1 前言
• 3.2 固溶处理
• 3.2.1 固溶处理条件
• 3.2.2 样品固溶处理后的显微组织
• 3.3 实验设计
• 3.4 冷轧压下量对690合金样品中晶界特征分布的影响
• 3.4.1 冷轧及1100℃退火后690合金样品的光学显微镜观察
• 3.4.2 冷轧及1100℃退火后690合金的晶界特征分布
• 3.4.3 具有不同晶界特征分布样品的显微组织分析
• 3.4.4 织构与晶界特征分布的关系
• 3.5 1100℃退火时间对晶界特征分布的影响
• 3.6 样品在冷轧退火前进行固溶处理或固溶后再时效处理对晶界特征分布的影响
• 3.7 多次重复冷轧退火加工工艺对晶界特征分布的影响
• 3.8 不同低∑CSL晶界与∑3晶界之间的比例关系
• 3.9 本章主要结论
• 第四章 控制690合金晶界特征分布的机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验设计
• 4.3 样品冷轧后在退火过程中显微形貌的光学显微镜观察
• 4.3.1 固溶处理的样品经冷轧5%后在1100℃退火过程中显微组织的光学显微镜观察
• 4.3.2 固溶处理的样品经冷轧20%后在1100℃退火过程中显微组织的光学显微镜观察
• 4.3.3 固溶处理的样品经冷轧50%后在1100℃退火过程中显微组织的光学显微镜观察
• 4.3.4 固溶并时效处理的样品经冷轧5%后在1100℃退火过程中显微组织的光学显微镜观察
• 4.3.5 固溶并时效处理的样品经冷轧20%后在1100℃退火过程中显微组织的光学显微镜观察
• 4.3.6 固溶并时效处理的样品经冷轧50%在1100℃退火过程中显微组织的光学显微镜观察
• 4.4 对部分再结晶样品的EBSD观察
• 4.4.1 部分再结晶状态样品的EBSD表征方法
• 4.4.2 对只发生了部分再结晶样品的EBSD观察
• 4.5 讨论
• 4.5.1 形成"互有∑3"取向差关系晶料的团簇"显微组织的原因
• 4.5.2 冷轧变形量在调整晶界特征分布中起关键作用的原因
• 4.5.3 初始经固溶处理或固溶后再时效处理对形变及退火后晶界特征分布影响不大的原因
• 4.5.4 多次重复形变退火工艺与只进行一次形变退火的效果相似的原因
• 4.5.5 对其它几种机理的评价
• 4.6 本章主要结论
• 第五章 690合金中晶界特征分布对晶间腐蚀性能的影响
• 5.1 前言
• 5.2 随机晶界网络的连通性
• 5.3 低∑CSL晶界如何影响晶间腐蚀性能
• 5.5 本章主要结论
• 第六章 全文总结
• 6.1 全文主要结论
• 6.2 本工作主要创新点
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间申请的相关专利
• 作者在攻读博士学位期间所参加的项目
• 致谢