核压力容器钢中亚稳相析出早期组织和结构演化

Nuclear reactor pressure vessel (RPV) is generally constructed from Mn-Ni-Mo ferritic steel. It is now well known that irradiation hardening and related embrrittlement of RPV steel are at least partially due to the precipitation of copper clusters/precipitates. Nonetheless, a precise understanding of the development and structural transformations of Cu-rich clusters/precipitates as a function of a complex interaction of Cu atom with Ni, Mn, Si solute atoms is poorly understood. The effect of alloying elements on the formation and structural transformations of Cu-rich clusters/precipitates will be the subject of this project. The influence of the precipitation of Ni-rich and Mn-rich clusters on impact properties of the RPV steels will also be studied. Re-solution of the alloying elements in RPV steels during the recovery annealing will be researched. It is help to understand the mechanisms of embrrittlement of pressure vessel steels through the above studies. The objective of this project is to provide experimental data and a theoretical basis to predict the radiation lifetime of the RPV and even restore the RPV.

核反应堆压力容器一般采用Mn-Ni-Mo低合金铁素体钢制造。研究表明，中子辐照诱发钢中微量杂质元素Cu以富Cu团簇析出是促使压力容器钢发生脆化的主要原因之一。但钢中合金元素及彼此相互作用对团簇析出早期组织演化，亚稳相结构演化的影响规律尚未充分了解。本项目研究压力容器钢中富Cu团簇的析出早期阶段，探究合金元素及其相互作用对富Cu团簇的析出早期行为以及富Cu亚稳相晶体结构演化的影响规律；同时本项目特别将可能引起压力容器钢脆化的富Ni团簇和富Mn团簇作为研究目标，研究富Ni或富Mn团簇的析出行为以及对钢冲击韧性的影响；研究重新退火时富Cu（富Ni，富Mn）团簇中合金元素的重新固溶，以及对钢冲击性能的影响。通过本项目的研究，有助于深入理解与核压力容器钢脆化有关的微观机制，为预测核反应堆压力容器的寿命甚至修复压力容器提供实验数据和理论依据。

核反应堆压力容器（RPV）作为核电站中不可更换的关键核心部件，其设备完整性对核电站的安全运行起着至关重要的作用。大量研究表明，在服役工况下（288℃），中子辐照会促使RPV钢内部的组织、结构发生演化，而中子辐照诱发析出的原子团簇是导致RPV钢发生脆化的主要原因。近年来，中外很多学者都对其进行了诸多探讨，但对原子团簇的析出早期行为，特别是合金元素及彼此相互作用对原子团簇析出和亚稳相结构演化的影响规律等仍不清楚或尚存争议。在此背景下，本项目采用TEM，HRTEM，STEM，APT，EDS等手段，研究了淬火、热时效、冷轧以及合金元素对RPV模拟钢组织和析出相结构的演变的影响。揭示了RPV钢在淬火过程中贝氏体和马氏体的显微结构的特征，分析了钢中Mn含量对淬火过程中相变和显微结构的影响； RPV模拟钢经淬火后，较高Mn含量的钢中，ω相沿孪晶马氏体呈粒状或片状析出，，而较低Mn含量的钢中，正交结构马氏体相沿含高密度位错的板条马氏体呈超细或椭球形状析出；同时也发现，较低Mn含量的钢中有B2结构的Cu团簇形成，而高Mn含量的钢中有bcc结构的Cu团簇形成；探讨了经过30 %冷轧变形得到的纳米富Cu相的五重孪晶形成机制，提出了一种在α-Fe基体和富Cu析出相界面上的两个不全位错同时发射得到五重孪晶的形成机理；采用HRTEM和HAADF-STEM研究了RPV模拟钢中富Cu相的相转变过程，提出了9R到3R结构的相转变机制。本项目的研究成果为预测RPV钢的寿命提供实验数据和理论依据；同时本项目的研究成果将对其它含Cu高强低合金钢的强韧化机理研究同样具有很好的参考价值。