多轴载荷附加强化效应对低活化钢疲劳寿命的影响机理研究

Due to the low activation and excellent neutron irradiation resistance, the Reduced Activation Ferritic/Martensitic steel (RAFM) has been chosen as the primary candidate structure material for the first fusion plant blanket. The rigorous serve condition of fusion reactor will lead the blanket to subject to multiaxial stress-strain condition. With the multiaxial cyclic loading, the RAFM steel possesses additional hardening effect which will deteriorate the material performance. This project will study the failure behavior caused by multiaxial alternating load and clarify multiaxial fatigue damage mechanism by analysis the microstructure evolution near the crack tip with China Low Activation Martensitic steel (CLAM steel). Combined with the microstructure analysis, a strain-energy-based critical plane fatigue lifetime prediction model will be established, which can account for the effects of the mean stress and the additional hardening effect caused by the multiaxial load. These results of this proposal can provide the scientific basis for evaluation and life assessment of fusion blanket.

由于具有优良的低活化特性和抗中子辐照性能，低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)成为未来聚变堆包层的首选结构材料。聚变堆苛刻的服役环境会导致包层结构材料处于多轴度应力应变状态。多轴载荷循环加载下，低活化钢具有明显的附加强化效应从而加速材料的疲劳失效。本项目拟以中国聚变堆包层候选结构材料-CLAM钢为研究对象，通过施加不同条件的多轴循环载荷，研究多轴载荷附加强化效应对低活化钢疲劳寿命的影响规律；通过直接分析裂纹尖端微观组织形态阐述多轴非比例载荷循环加载对低活化钢的附加强化效应机理；结合微观分析结果，基于能量耗散和临界面法提出一种适合低活化钢的多轴疲劳寿命预测模型。本项目研究成果可以为聚变堆包层性能评价和寿命估算提供理论依据。

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)具有低活化、抗辐照肿胀和较为成熟的工业基础，被认为是未来聚变示范堆包层的首选结构材料。聚变堆高温脉冲式的运行模式、强中子辐照等苛刻的服役环境会导致包层结构材料处于多轴度应力应变状态。多轴载荷循环加载下的附加强化效应会加速材料的疲劳失效。本课题通过试验研究和数值模拟，获得了多轴载荷作用下RAFM钢的疲劳失效机理，提出了能够用于RAFM钢的多轴疲劳寿命预测方法。具体研究工作包括以下几方面的内容：（1）开展了非比例多轴载荷循环加载下CLAM钢附加强化行为研究，获得了多轴载荷加载下CLAM钢的循环应力应变行为；2）开展了多轴载荷下低活化钢附加强化机理研究，揭示了非比例加载加速位错胞产生是附加强化的主要原因，同时切应变是CLAM钢多轴疲劳失效的主要力学因素；3）开展了附加强化效应对低活化钢多轴疲劳寿命影响规律研究，利用基于最大剪切应变临界面能量密度方法，建立了CLAM钢的多轴疲劳寿命预测模型。本项目的成果可以为聚变堆包层的服役性能评价和寿命估算提供理论依据。