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用氮合金化提高316L不锈钢的蠕变强度


对于钠冷快堆(SFR)的高温结构零件来说,含0.02~0.03wt%的碳和0.06~0.08wt%氮的316L不锈钢被称为316L(N)不锈钢,是最佳材料之一。碳含量保持在较低水平,使钢在焊接构件对焊接热影响区(HAZ)敏化的敏感性最小,从而减轻在腐蚀性环境下焊接热影响区中的应力腐蚀开裂的可能。与316不锈钢比较,用0.06~0.08wt%的氮合金化有助于提高316L不锈钢的高温强度。为了提高钠冷快堆的经济竞争力,强烈希望提高设计寿命,从目前的40年提高到未来设计至少为60年。作为努力发展适用于很长的设计寿命的结构材料的一部分,科研人员广泛研究了氮浓度高于0.08wt%对316L不锈钢的高温力学性能的影响。
生产了四炉氮含量分别为0.07、0.11、0.14和0.22wt.%的316L不锈钢(以下称为316LN不锈钢)来研究氮对316LN不锈钢拉伸性能、蠕变性能、低周疲劳性能和蠕变-疲劳交互作用的影响。在专门的特殊钢公司通过二次重熔工艺生产4炉316LN不锈钢。用感应敞熔法对这些钢进行一次熔炼。为了达到良好的和始终可控的化学成分,炉料由纯的原材料组成。一次熔炼期间,使用氮化的铬铁获得每炉所要求的氮量。这些钢的碳含量保持在0.03wt.%,其他主、次要元素的成分控制在相同的水平。四炉钢的化学成分见表1。为了使所生产的钢含有非常低的夹杂物,用电渣重熔(ESR)工艺进行二次重熔。ESR锭热锻成板坯,接着热轧成厚度为22mm的板,最后在1323K以上进行固溶退火处理。
研究了140、175、200和225MPa应力下,923K时含氮316LN不锈钢的蠕变行为。发现在所有应力水平时氮对蠕变性能有利。随着氮含量的增加,蠕变断裂强度显著增加;氮从0.07wt.%增加到0.22wt.%,破断寿命几乎增加10倍。随着氮含量的增加,所有三个阶段所花费的时间增加,从而引起破断寿命的总体增长。随着氮含量的降低稳态蠕变速率显示下降。随着氮含量的增加,晶间和表面裂纹的数量降低。固溶强化、增加杨氏模数、降低堆垛层错能以及碳氮化物析出物的基体析出强化有助于蠕变强度随氮含量的增加而增加。