氧对T91和316L钢在铅铋合金中的脆化行为影响及微观机理研究

Liquid Lead-Bismuth Eutectic （LBE）is the main coolant candidate material in lead based alloy reactor. However, the liquid metal embrittlement (LME) in LBE would reduce the mechanical properties of structural material seriously, which limits their application in engineering. The control technology of the oxygen content in LBE and the chemical reaction mechanism between oxygen and the metal atom in the surface of steel are the important ways to slow down the corrosion damage. The work plans to study the effect of oxygen content on the wetting of typical structural materials T91and 316L by LBE and the stress corrosion behaviour of them in LBE, aiming to obtain the requirement for LME and the interaction mechanism on the corrosion interface. At the same time, considering the oxygen atom and using the first-principles, a simplified modeling of the metal atom in the interface will be built and used to calculate the absorption energy, which can reveal the reaction mechanism of atoms in the interface and provide the basis for explaining the LME phenomenon. The research results have important significance to illustrate LME effecs of materials in liquid heavy metal.

液态共晶铅铋合金（LBE）是目前铅基合金反应堆的主要候选冷却剂，但堆用结构材料在LBE中的液态金属致脆效应（LME）造成的材料力学性能下降现象，制约了材料在铅铋环境中的性能评价及工程应用。LBE介质中的氧浓度控制及氧与腐蚀界面原子间的相互作用机制是目前解决材料腐蚀的关键科学问题。本项目以316L和T91钢两种典型结构材料为研究对象，开展氧含量对LBE与材料间的润湿及材料的应力腐蚀行为影响机理的实验研究，获得发生LME效应的敏感性及腐蚀界面原子相互作用规律；结合第一性原理分子动力学方法，建立考虑O原子的腐蚀界面原子化简化模型，并计算原子间吸/脱附能，阐明316L和T91钢致脆行为差异及相应裂纹萌生和扩展的机理。研究成果对于揭示材料在液态重金属中发生LME效应机理具有普遍意义。

液态共晶铅铋合金（LBE）是目前铅基合金反应堆的主要候选冷却剂，但堆用结构材料在LBE中的液态金属致脆效应（LME）造成的材料力学性能下降现象，制约了材料在铅铋环境中的性能评价及工程应用。LBE介质中的氧浓度控制及氧与腐蚀界面原子间的相互作用机制是目前解决材料腐蚀的关键科学问题。本项目以316L和T91钢两种典型结构材料为研究对象，依托自主研制的铅合金环境慢应变速率拉伸应力腐蚀等装置，通过润湿性实验、恒应变速率腐蚀实验、恒应变腐蚀实验和分子动力学模拟等方法，重点研究了氧浓度对T91和316L在铅铋合金中的脆化行为及脆化敏感性的影响。主要结果如下：（1）发现了T91脆化敏感温度区间为200~400℃，而在此区间316L发生脆化的现象不显著；（2）T91钢的脆化敏感性强于316L钢,且随着氧浓度的降低，其脆化程度越显著，而316L的力学性能却基本不受氧浓度的影响；（3）当预腐蚀温度提高到550℃时，结果却完全不同，此时T91钢的力学性能基本不受氧浓度影响，而316L在10-7wt%时的力学性能明显低于10-5wt%和10-6wt%时的力学性能；（4）Bi原子相较于Pb原子更倾向于吸附在9Cr钢的表面。研究成果对于揭示材料在液态重金属中发生LME效应机理具有普遍意义。