金属材料韧脆转变温度的内耗和磁性无损检测方法研究

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随着核能技术的发展,核安全问题变得越来越重要。核反应堆的极端环境将引起核材料特别是面向等离子体第一壁材料和结构材料的硬化、脆化等,对其综合性能进行实时监测和评估是保证核安全的关键。韧脆转变温度(DBTT)作为衡量材料脆化的重要指标之一,其无损检测方法的探究极其重要,特别是对先进核能装置的安全性和寿命评估具有重要意义。针对目前还没有较成熟可靠的DBTT无损检测技术的现状,本文选用面向等离子体第一壁材料和核结构材料的候选材料W-0.5wt.%ZrC合金和马氏体钢等,对DBTT无损检测方法进行探索和深入的研究。  首先,采用内耗测试方法对W-0.5wt.%ZrC合金的DBTT检测方法进行探究。一方面用拉伸试验方法在不同温度对W-0.5wt.%ZrC合金进行拉伸试验,分析得到其DBTT在50至80℃之间,且具有较高的拉伸强度,在80℃和500℃时分别为1413MPa和850MPa。另一方面用大应变内耗测试方法在不同温度条件下测试W-0.5wt.%ZrC合金的内耗-应变振幅曲线,发现随应变振幅增加,材料的内耗先缓慢增加,经过一个临界应变振幅(εc)后快速增加,该εc对应W-0.5wt.%ZrC合金的屈服点,且与拉伸试验得到的屈服强度随温度变化趋势相同。通过对εc随测试温度的变化趋势分析,发现随温度下降εc先缓慢增加,在80℃左右快速增加,在更低温度(50和20℃)进行内耗测试时,测试样品均在未达到εc就发生断裂,该现象说明内耗测试得到的W-0.5wt.%ZrC合金DBTT在50~80℃左右,和拉伸测试试验得到的DBTT相同。另外对内耗断口进行表征发现80℃时测试样品断口开始出现部分塑性变形区域而50℃时是完全脆性断裂,该现象进一步验证内耗方法测量DBTT的可行性与准确性。  其次,采用磁性无损检测方法对马氏体钢的DBTT检测方法进行探究。一方面用夏比冲击试验方法分别对F82H、EUROFER97、SCRAM、T91和轧制后T91等马氏体钢进行测试,得到各样品对应的DBTT。另一方面用磁性测试方法在不同温度下测试矫顽力(HC)和小磁场中的磁化强度(M)随温度变化趋势。分析发现,以上各马氏体钢的ln(HC)-T和d(lnM)/d(1/T)-T随温度增加的趋势均在一个临界温度点(TC)之后出现变化,且各样品的TC分别与各自的DBTT对应。其中,分析得到的F82H、EUROFER97、SCRAM和T91等马氏体钢的TC分别为-84、-83、-52和-58℃,分别与各自的DBTT(分别为-86、-87、-55和-54℃)相对应。将T91马氏体钢轧制后进行同样的实验,发现其TC为-2℃,也与其DBTT(2℃)相对应,该现象说明磁性无损检测方法具有可重复性和较高的灵敏性,且同样适用于检测经过塑性变形和微观结构经过变化的样品。文中通过磁畴与位错相互作用模型对马氏体钢的磁性在DBTT附近温度区间内出现转变现象的机理进行了分析和解释。  本文中基于内耗和磁性测试技术,对核材料DBTT无损检测技术的探索以及研究,将为反应堆结构材料和其它材料的硬化、脆化以及DBTT改变等提供快速、灵敏和有效的检测方法和技术手段,且有望用于材料性能变化的实时监测和评估。
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