低活化鐵素體-馬氏體（RAFM）鋼是傳統(tǒng)鐵素體-馬氏體鋼的變種，主要作為未來(lái)聚變反應(yīng)堆和第四代核裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。EUROFER97是一種歐洲RAFM鋼，可用于ITER反應(yīng)堆的實(shí)驗(yàn)包層和DEMO中受高輻射能量影響的結(jié)構(gòu)部件，如第一壁、分流器、包層和壓力容器。
在反應(yīng)堆被拆除后，為了簡(jiǎn)化放射性廢物儲(chǔ)存，EUROFER97鋼的化學(xué)成分已被適當(dāng)修改。一些通常存在于Cr-Mo鋼中的合金元素被替換為具有更快的、誘導(dǎo)輻射衰變的等效元素。此外，Ni、Nb、Mo、Cu和N等其他元素被保持在盡可能低的水平。
當(dāng)鋼材被暴露于中子輻照時(shí)，就會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)原子位移，并通過(guò)嬗變反應(yīng)產(chǎn)生He。原子位移產(chǎn)生的晶格缺陷會(huì)導(dǎo)致顯微組織和顯微成分的變化，進(jìn)而造成尺寸不穩(wěn)定和力學(xué)性能下降。一直以來(lái)，EUROFER97鋼是通過(guò)熱軋工藝和隨后的熱處理來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)：在980℃奧氏體化30min，空冷，在760℃回火90min，從而產(chǎn)生回火馬氏體，隨后的狀態(tài)被稱為標(biāo)準(zhǔn)EUROFER97。
根據(jù)目前進(jìn)行的輻照實(shí)驗(yàn)，EUROFER97在350-550℃的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的性能。為了擴(kuò)大該鋼種的運(yùn)行溫度范圍，已經(jīng)進(jìn)行了一些研究。550℃的上限是由腫脹和輻照蠕變所造成的。到目前為止，提高最高運(yùn)行溫度的一個(gè)可能解決方案就是采用EUROFER97鋼的氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）變體。
EUROFER97-ODS是通過(guò)氧化釔粉末（Y2O3含量為0.3wt.%）的機(jī)械合金化工藝制造而成的。50℃以上的溫度下，細(xì)微晶粒尺寸的、納米級(jí)的氧化物顆粒使得力學(xué)性能提升。與之相反，關(guān)于較低的溫度極限主要?dú)w咎于延性的損失。由中子輻照產(chǎn)生的晶格缺陷，在低于350℃和高達(dá)350℃的溫度下，導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）升高。因此，在輻照前降低DBTT可以降低最低運(yùn)行溫度。眾所周知，降低DBTT的唯一過(guò)程是細(xì)化晶粒尺寸。此外，顯微組織細(xì)化將在核應(yīng)用中顯示出許多優(yōu)勢(shì)。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，通過(guò)熱或冷的機(jī)械加工和退火獲得的細(xì)微組織，可以提供較高的機(jī)械強(qiáng)度（晶界限制了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)），并提供高的抗輻照能力。更大的晶界表面保證了更多的點(diǎn)缺陷復(fù)合中心，以及對(duì)He的低敏感性。在文獻(xiàn)中，對(duì)于EUROFER97鋼在奧氏體化階段（減少原奧氏體晶粒）和回火階段的晶粒尺寸，前人已經(jīng)研究過(guò)各種策略。本研究考察了熱機(jī)械工藝對(duì)EUROFER97鋼顯微組織的影響，目的是改善拉伸性能，同時(shí)評(píng)價(jià)在聚變核反應(yīng)堆中的可能應(yīng)用。值得一提的是，研究了冷軋過(guò)程后的加工硬化行為，并與常規(guī)EUROFER97鋼進(jìn)行了比較，并通過(guò)硬度測(cè)試、金相學(xué)和X射線衍射來(lái)進(jìn)行表征。
01 材料和方法
EUROFER97鋼的名義化學(xué)成分如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的EUROFER97鋼經(jīng)過(guò)冷軋，然后進(jìn)行再結(jié)晶熱處理。重點(diǎn)研究了三種不同的冷軋壓下率（30%、40%、50%）。
使用高分辨率電子掃描顯微鏡（FE-SEM Zeiss,Gemini Supra25）分析和比較了標(biāo)準(zhǔn)EUROFER97和冷軋工藝后的顯微組織。此外，還進(jìn)行了維氏硬度（HV5）測(cè)試和X射線衍射分析，從而估計(jì)位錯(cuò)密度。位錯(cuò)密度（ρ）是利用威廉姆斯-斯莫爾曼關(guān)系從局部微應(yīng)變（ε）中計(jì)算而來(lái)，微應(yīng)變?chǔ)攀峭ㄟ^(guò)X射線衍射峰的半最大值全寬度（FWHM）估算而來(lái)。
ρ=14.4×ε 2 ×b -2 （1）
X射線衍射光譜是借助Mo-Kα輻射（λ=0.703A）獲得的，精密光譜的角度步長(zhǎng)為2θ=0.005，計(jì)數(shù)時(shí)間為4s。對(duì)于ε的估計(jì)，使用了光譜中{100}線的k α1 分量。
02 結(jié)果與討論
冷塑性變形對(duì)EUROFER97顯微組織的影響在SEM圖像中清晰可見(jiàn)。除了原奧氏體晶粒和碳化物板條，還清楚地檢測(cè)到回火馬氏體。冷軋對(duì)回火馬氏體的影響如圖1（b）-圖1（d）所示，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示出晶粒形狀的變化：事實(shí)上，晶粒隨著冷軋壓下率（CR）的增加而拉長(zhǎng)。
圖2顯示了EUROFER97在標(biāo)準(zhǔn)條件下和冷軋工藝后通過(guò)X射線衍射測(cè)量得到的{100}線的kα1成分。在圖2中，所有衍射峰的強(qiáng)度都被歸一化，結(jié)果顯示，隨著壓下率的增加，衍射峰會(huì)變寬。衍射峰的變寬是微應(yīng)變?cè)黾樱◤亩鴮?dǎo)致位錯(cuò)密度）的一個(gè)指標(biāo)。根據(jù)公式（1）計(jì)算出位錯(cuò)密度的變化與塑性變形量的關(guān)系。位錯(cuò)密度和硬度值作為冷軋壓下率的函數(shù)，如圖3所示。結(jié)果證實(shí)，冷軋壓下率從0%增加到50%，意味著位錯(cuò)密度從7×10 10 cm -2 增加到大約3×10 11 cm -2 。維氏硬度變化顯著（在50%的情況下，從200HV增加到280HV）。在對(duì)隨即的熱處理效果的影響是非常有益的。值得一提的是，在冷軋鋼材上進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚碇?，有可能獲得非常細(xì)微組織（晶粒尺寸約為200nm）。
本研究考察了冷軋對(duì)EUROFER97鋼加工硬化的影響。對(duì)三種不同的冷軋壓下率（30%、40%、50%）進(jìn)行了調(diào)查，在每種情況下進(jìn)行了顯微組織分析、維氏硬度和位錯(cuò)密度測(cè)定。冷軋鋼材與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的EUROFER97鋼進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，壓下率從0%增大到50%，導(dǎo)致位錯(cuò)密度從7×10 10 cm -2 增加到約3×10 11 cm -2 。在硬度變化方面，這種增加似乎是相當(dāng)強(qiáng)大的；在壓下率50%的情況下，硬度從200HV增大到280HV。對(duì)核聚變應(yīng)用而言，這些結(jié)果令人滿意，有助于了解熱機(jī)械加工工藝對(duì)EUROFER97鋼力學(xué)性能和抗輻照性能的真正影響。
《世界金屬導(dǎo)報(bào)》
2023年第14期 B11
