大型核乏燃料储运容器球墨铸铁材料的断裂韧性及机理

随着核电、核能工业的进步，发展百吨级大型球墨铸铁核乏燃料储运容器至关重要。研究大型核乏燃料储运容器用厚大断面球铁的断裂韧性及机理是保障乏燃料储运安全的关键。本项目拟采用等温截面物理模拟方法，通过调整化学成分、强制冷却工艺和球化孕育处理工艺，浇铸不同微观组织的厚大断面球铁物理模拟试块；研究模拟试块基体铁素体与珠光体含量对断裂韧性的影响规律，阐明基体微观组织与断裂方式的内在联系；研究石墨形态及分布对断裂韧性的影响，研究石墨-基体界面结构及其与断裂韧性的内在关系；阐明不同铸造缺陷下断裂韧性的变化规律；研究断口形貌和断裂方式，揭示裂纹萌生与扩展的微观过程及其影响因素，建立基体组织、石墨形态及分布与断裂韧性之间的内在联系，揭示断裂的微观机理，为发展高断裂韧性百吨级大型核乏燃料储运容器用厚大断面球铁材料奠定基础。

随着核电工业的迅猛发展，急需核乏燃料的储运容器。球墨铸铁材料具有防辐射作用且性能优异，已被国际原子能机构认定为一种重要的核乏燃料储运容器制造材料。核乏燃料储运容器用厚大断面球铁的性能是保证核安全的关键，因此深入研究大型核乏燃料储运容器厚大断面球铁材料的力学性能和断裂韧性及机理对于保障核乏燃料储运安全具有重要意义。目前，有关厚大断面球铁的力学性能和断裂韧性及机理的全面系统研究还很少，影响厚大断面球铁力学性能和断裂韧性的诸多因素以及断裂机理等未能揭示，关于大型核乏燃料储运容器用壁厚300 mm以上的厚大断面球铁断裂韧性和力学性能的系统研究及机理尚未见报道。本课题利用物理模拟的方法研究了轻稀土球化剂、重稀土球化剂、化学元素(Si、Bi和Mn)以及外加冷铁强制冷却工艺对厚大断面球铁微观组织和力学性能的影响。首次利用扫描电镜动态原位拉伸观察厚大断面球铁中各种形态石墨及不同基体组织的断裂过程，对厚大断面球铁的断裂机理进行了深入探讨。. 采用外冷铁进行强制冷却，并与采用砂型冷却工艺的铸件进行对比。随着凝固冷却速度的降低，厚大断面球铁的抗拉强度、延伸率、冲击韧性和断裂韧性值随之降低。采用砂型自然冷却试块，其断裂韧性试样断口形貌由韧性断口转变为脆性断口。采用强制冷却工艺的试块，其断裂韧性试样断口形貌由韧性断口转变为韧脆混合型断口，表明其心部试样仍具有一定的韧性。. 采用Y-Mg-Si球化剂和Ce-Mg-Si球化剂浇铸两个壁厚为400mm的物理模拟试块。研究表明：重稀土球化剂比轻稀土球化剂具有更好的抗球化衰退能力。在冷却速度较快时，使用重稀土球化剂改善厚大断面球铁石墨形态及力学性能。随着冷却速度的降低，断裂韧性断口形貌由韧性断口转变为脆性断口。研究合金元素(Si和Mn)以及微量元素Bi对石墨形态和基体组织的影响，并对Si、Mn元素含量以及微量元素Bi对常规力学性能和断裂韧性的影响规律进行探讨。. 首次利用扫描电镜动态原位拉伸观察技术，结合断口形貌分析研究厚大断面球铁中石墨形态及分布对断裂过程的影响，探讨其微观机理。研究结果表明：蠕虫石墨和团絮状石墨恶化力学性能和断裂韧性，大幅度降低厚大断面球铁的常规力学性能和断裂韧性。球状石墨可减缓裂纹尖端的应力集中状态并有效阻碍裂纹进一步扩展。