高温强磁场服役下低活化钢中析出相变行为研究

聚变堆包层结构材料长期服役在高温辐照强磁场条件下，目前低活化铁素体/马氏体钢因其优异的高温力学性能和抗辐照性能等优点成为聚变堆包层的首选结构材料。但人们对高温强磁场极端服役条件下低活化钢中析出相的演变仍然很不清楚，而微观组织的变化直接影响低活化钢在服役条件下的力学性能，这关系到包层的结构稳定性及聚变堆的安全。本项目拟通过透射电镜等方法研究低活化铁素体/马氏体钢中析出相尤其是TaC相在高温条件下形核、长大和粗化的演化过程，构建高温条件下TaC相析出长大的物理模型。进而研究TaC相在高温强磁场极端条件下的相稳定性、相界面特征、形核长大行为，力图建立析出相在高温强磁场耦合条件下随时间演化过程的模型，同时探索微观组织变化对高温力学性能、抗辐照性能的影响，建立析出相变行为和高温力学性能之间的定量关系。本项目的研究结果将为建立低活化钢服役安全评价体系，并为促进低活化钢的优化设计提供理论基础和数据支持。

低活化钢作为未来聚变堆包层结构材料长期在高温强磁场下服役。高温强磁场下材料组织的稳定性影响聚变堆的服役安全。本课题以低活化钢为原型进行合金设计和组织调控，首先研究低活化实验钢的析出相变行为，掌握低活化钢中析出演化过程对力学性能的影响规律，最后系统研究高温强磁场下析出相变行为及其力学性能的影响。.本研究首先研究了奥氏体化条件、微合金元素对未溶碳化物溶解过程的影响，利用扩散动力学模型模合理解释了奥氏体化过程中TaC颗粒溶解过程与原奥氏体晶粒长大之间的关系。然后系统研究了低活化实验钢中碳化物析出、粗化、演变规律。利用Langer-Schwartz等理论构建TaC的形核、长大和粗化的动力学演化过程的理论模型，揭示了界面能、扩散系数、平衡浓度等参数对析出长大过程的影响规律。.提出一种新型中间热处理工艺和适量增加Ta含量的方法来细化低活化钢中的M23C6，使M23C6的平均尺寸由常规热处理工艺的150 nm减小到70 nm。低活化钢中Ta含量的增加也使得M23C6平均尺寸减小，甚至抑制M23C6析出。.最后，研究650 ℃高温下10 T强磁场对析出相的稳定性、相界面特征、析出长大过程的影响。使用Weiss分子场模型计算650 ℃、10 T强磁场下碳化物/铁素体的界面能增加值为0.03 J/m2。外加强磁场导致低活化钢中长杆状的M23C6出现明显球化，析出相的颗粒密度降低，平均尺寸增大。利用Langer-Schwartz理论构建物理模型定量地描述磁场强度对形核、长大的动力学过程的影响，对比实验观察研究强磁场对析出相变行为的影响，合理预测了强磁场对低活化钢的析出长大行为及力学性能的影响。