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摘要：文章采用万能试验机轴向和环向拉伸方式对FeCrAl先进不锈钢包壳管材在不同温度下的拉伸性能进行研究。研究结果表明，熔炼法制备的FeCrAl管材有更高的延伸率，粉末冶金法制备的FeCrAl管材有更高的屈服强度和抗拉强度。熔炼法和粉末冶金法制备的FeCrAl管材的屈服强度和抗拉强度均随温度升高而降低，延伸率随温度升高而增加。高温拉伸断口SEM微观分析表明，熔炼法FeCrAl断口为韧窝少而浅的韧性断裂，粉末冶金法FeCrAl断口为韧窝多而深的韧性断裂。
关键词：FeCrAl；先进不锈钢管材；轴向拉伸试验；环向拉伸试验
近年来，某核事故让人们意识到核电站反应堆中所使用的UO2-Zr燃料体系在事故工况下存在严重的安全隐患。为了提高燃料在事故工况下的安全性，国际上提出了事故容错燃料（ATF Accident Tolerant Fuel）的概念。事故容错燃料指与目前的UO2-Zr燃料相比，能在较长时间内抵抗冷却剂丧失事故，同时还能保持或提高其在正常运行工况下的性能的燃料系统［1］。
FeCrAl合金具有优异的抗高温氧化性能，其在高温蒸汽环境中能形成致密且与基体附着良好的氧化铝保护膜，常被用于加热元件或高温炉部件，近年来人们也尝试将FeCrAl合金用作ATF包壳候选材料［2］。FeCrAl合金在核电站反应堆中的应用最初由通用电气（GE）公司于二十世纪60年代提出，旨在提高核燃料组件在反应堆工况环境下的抗氧化能力、热效率和裂变产物包容能力。但由于当年GE研究的FeCrAl合金多数只含Fe、Cr、Al和Y，而不含其他元素，导致材料高温强度较低、低温脆性明显［3］，以致研究未能持续。某核事故后，国际上再次掀起关于FeCrAl合金包壳材料的研发热潮。
目前国际上FeCrAl合金研发主流工艺有粉末冶金工艺和熔炼锻造工艺两种。不同于传统的熔炼工艺，粉末冶金工艺通过机械合金化使Y2O3弥散分布到基体中实现合金元素的固溶/过饱和固溶，而后通过热等静压烧结析出氧化物弥散相，从而获得ODS-FeCrAl合金［4］。
由于工艺不同，材料在成分设计以及最终管材性能方面也有较大不同。目前关于熔炼法和粉末冶金法制备的FeCrAl不锈钢包壳管材力学性能，尤其是环向拉伸强度报道较少。
文章针对现有FeCrAl不锈钢包壳管材性能公开报道数据较少的现状，针对熔炼法和粉末冶金法制备的FeCrAl不锈钢包壳管在室温、高温条件下进行轴向和环向拉伸试验，获得不同温度下轴向、环向拉伸性能数据，并对拉伸断口的微观形貌进行表征分析。
1试验部分
1.1试验样品
试验材料共两种，分别是熔炼法制备的管材RL-FeCrAl，以及粉末冶金法制备的管材ODS-FeCrAl。其中RL-FeCrAl采用真空感应熔炼制备合金锭，开坯后经锻造、轧制成管材，如图1（a）所示；ODS-FeCrAl采用真空感应熔炼制备合金锭，随后气雾化制备成金属粉末，后经机械合金化球磨、热等静压、锻造并轧制成管材，如图1（b）所示。
1.1.1轴向拉伸试验样品
轴向拉伸试样均按照《GB/T 6397—1986金属拉伸试验试样》中全截面管段拉伸试样要求进行制备，试样为定标距试样，长度120mm，平行段长度80mm，标距50mm。由于万能试验机采用液压夹具夹持，需在试样两端加装端塞，加装端塞后的FeCrAl试样如图2所示。
1.1.2环向拉伸试验样品
从管材截取长度5mm左右的圆环，使用线切割将试样按照图3（a）进行加工，加工完成后的环向拉伸试样如图3（b）所示。
1.2试验方法
本试验采用岛津公司AGS-X-100K型号万能试验机进行，高温环境由吉林三度高温真空炉保证。
将试样超声洗净，测量外径；用壁厚千分尺测量壁厚；用游标卡尺测量轴向拉伸试样长度（环向拉伸试样测量宽度）。
将试样正确夹持在万能试验机夹具上，在真空状态下运行设定好的升降温及拉伸试验程序，持续记录试样载荷-位移曲线，直至断裂失效，计算并绘制材料的应力-应变曲线。试验拉伸速率为0.4mm/min，试验温度分别为20℃、400℃、600℃、700℃、1000℃。
拉伸断裂后取出试样，超声洗净，测量轴向拉伸试样断裂后长度。采用场发射扫描电子显微镜（SEM，GeminiSEM500 ZEISS）对轴向拉伸试样断口进行表征。
2结果与分析
2.1轴向拉伸结果
RL-FeCrAl与ODS-FeCrAl两种材料所有试验温度点的试验数据对比如图4所示。
由图4可知，随试验温度的升高，RL-FeCrAl和ODS-FeCrAl管材轴向拉伸屈服强度和抗拉强度均不断降低，断后延伸率相应增加；室温时，RL-FeCrAl屈服强度482MPa，抗拉强度646MPa，断后延伸率29%；ODS-FeCrAl屈服强度933MPa，抗拉强度1110MPa，断后延伸率20%，其室温强度远高于RL-FeCrAl，但塑性不及RL-FeCrAl；700℃高温时，RL-FeCrAl屈服强度降124MPa，抗拉强度降140MPa，断后延伸率增至45%；ODS-FeCrAl屈服强度降202MPa，抗拉强度降282MPa，断后延伸率增至35%，拉伸强度仍高于RL-FeCrAl一倍以上，但塑性不及RL-FeCrAl。
2.2轴向拉伸断口表征
图5为FeCrAl管材试样拉伸断裂后示意图。试样断裂位置均在标距之内，因此测得数据符合拉伸试验标准。
将两种材料700℃拉伸试样断口切下，超声洗净，放入扫描电镜进行微观表征，其结果如图6所示。从图6（a）中可知，RL-FeCrAl管材断面有少量韧窝。材料虽然属于韧性断裂，但其韧窝面积较大，深度较浅。这表明在材料断裂前，材料沿滑移面产生较大的滑移，最终形成了剪切断裂。由图6（b）可知，ODS-FeCrAl断口出现了密集的小而深的韧窝，这种断裂形式为微孔聚集式断裂。不同尺寸大量韧窝的存在是材料具有良好韧性的标志。这证明材料在载荷作用下，因强烈滑移，位错堆积，断裂处产生较多显微空洞。这些显微空洞有可能是材料中弥散的微小氧化物破碎，或是微小氧化物与基体之间的界面破碎形成的。在不断增加的切应力下，这些空洞不断长大、聚集连接，同时产生新的微小空间，最终导致材料断裂失效。由于微裂纹的产生点较多，延缓了切应力的集中，且裂纹的扩展需要绕过大量细小弥散氧化物，由此可见，ODS-FeCrAl的裂纹形成功和裂纹扩展功要大于RL-FeCrAl，这也是ODS-FeCrAl在常温和高温拉伸强度均高于RL-FeCrAl的原因之一［5］。
2.3环向拉伸结果
RL-FeCrAl与ODS-FeCrAl环向拉伸断裂试样如图7所示，两种材料所有温度点的试验数据对比如图8所示。由图7可知，试样断裂均发生在平行工作段，试验数据符合环向拉伸试验规定。由图8可知，随温度升高，RL-FeCrAl和ODS-FeCrAl管材环向拉伸屈服强度、抗拉强度均不断降低，在20℃、400℃和600℃时，ODS-FeCrAl环向拉伸屈服强度和抗拉强度均高于RL-FeCrAl，尤其是600℃时，ODS-FeCrAl高温环向拉伸强度较RL-FeCrAl高出近一倍。
3结论
文章针对事故容错燃料热门候选材料FeCrAl不锈钢管材轴向和环向拉伸力学性能进行研究，并对轴向拉伸断口微观形貌进行表征和分析，得出结论如下：
（1）在常温和高温同等条件下，ODS-FeCrAl轴向拉伸、环向拉伸的屈服强度及拉伸强度均高于RL-FeCrAl，但其轴向拉伸延伸率低于RL-FeCrAl。由此可见，ODS工艺的加入，提高了材料的强度；
（2）两种FeCrAl轴向和环向拉伸的屈服强度和抗拉强度，均随温度升高而降低，轴向拉伸断后延伸率随温度升高而升高；
（3）ODS-FeCrAl常温轴向和环向拉伸抗拉强度均能达到1000MPa以上，在600℃高温也能保持一定的强度，其常温和高温强度明显优于RL-FeCrAl，更适合在有高温服役环境和对强度有一定要求的环境使用；
（4）高温时，RL-FeCrAl轴向拉伸断裂机制为韧窝较少，且韧窝大而浅的韧性断裂；ODS-FeCrAl为韧窝较多的微孔聚集式韧性断裂，断裂行为发生时所吸收的能量更多，因此强度高于RL-FeCrAl。
参考文献
［1］刘俊凯，张新虎，恽迪.事故容错燃料包壳候选材料的研究现状及展望［J］.材料导报，2018，32（11）：1757-1778.
［2］黄希，李小燕，方晓东，等.容错事故燃料包壳用FeCrAl合金的研究进展［J］.材料工程，2020，48（3）：19-33.
［3］Stopher，M.A.The effects of neutron radiation on nickel-based alloys［J］.Materials Science and Technology，2016，33（5）：518-536.
［4］储进.Cr和Al含量对ODS-FeCrAl合金微观结构及力学性能的影响［D］.东北大学，2019.
［5］A Steckmeyer，M Praud，B Fournier，et al.Tensile properties and deformation mechanisms of a 14Cr ODS ferritic steel［J］.Journal of Nuclear Materials，2010，405（2）：95-100.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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FeCrAl先进不锈钢包壳管材力学性能研究论文
人参与 2024-10-11 10:32:13 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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