铅铋与拉应力协同作用下马氏体钢氧化膜的开裂机制研究

Liquid Lead-Bismuth Eutectic (LBE) is the coolant in lead-bismuth cooled reactor. In LBE with the high oxygen content, protective oxide scales form on the surface of structural materials to suppress the strong corrosion of LBE to the structural materials. However, tensile stresses may cause oxide scales to crack completely and cannot heal, leading to loss of the protectiveness and evident degradation of the mechanical properties. At present, the cracking mechanism for surface oxide scales of martensitic steels in LBE under tensile stresses is still not well understood. The work plans to choose T91 steel as an example to investigate the cracking behaviors of the oxide scales on martensitic steels in LBE under different tensile stresses and time. The experiments will be carried out in the self-designed tensile-creep testing machine with LBE. The samples are step-like and normal creep samples. Besides, the dependence of the microstructure, key parameters and internal defects of the oxide scales on the tensile stresses and time will be obtained. Combined with stress analysis through ANSYS software, the cracking mechanism for the oxide scales of martensitic steels under the synergistic effect of LBE and tensile stress will be revealed by using elastic-plasticity and fracture mechanics theories. This work will enrich failure mechanism of the oxide scales of martensitic steels under the environment of liquid heavy metals. At the same time, this work will provide the experimental and theory base for safety analysis and design of lead-bismuth cooled reactor.

液态铅铋共晶合金（LBE）是铅铋冷却反应堆的冷却剂。在高氧含量的LBE中，结构材料表面会形成保护性氧化膜以减弱LBE对结构材料的腐蚀。但是，拉应力会导致氧化膜彻底开裂且不能愈合，从而丧失保护性。目前，对于LBE中马氏体钢氧化膜在拉应力作用下的开裂机制缺乏充分认识。本项目以T91钢这种铅铋堆主选结构材料为研究对象，依托自主研制的铅铋环境蠕变试验机，采用台阶状和标准蠕变试样，研究在LBE与拉应力协同作用下，马氏体钢氧化膜的开裂行为随应力和时间的演变规律，获得膜内各层的开裂顺序和位置，确定彻底开裂的阈值应力。同时，获得与开裂有关的膜的组织结构、特性参数和内部缺陷随应力和时间的演变规律。结合ANSYS应力分析，采用弹-塑形及断裂力学理论，阐明马氏体钢氧化膜在LBE与拉应力协同作用下的开裂机制。研究成果可补充马氏体钢氧化膜在液态重金属环境下的失效机制，也可为铅铋堆的安全分析与设计提供实验和理论支持。

液态铅铋共晶合金（LBE）是铅铋冷却反应堆的冷却剂。在高氧含量的LBE中，结构材料表面会形成保护性氧化膜以减弱LBE对结构材料的腐蚀。但是，拉应力会导致氧化膜彻底开裂且不能愈合，从而丧失保护性。目前，对于LBE中马氏体钢氧化膜在拉应力作用下的开裂机制缺乏充分认识。.本项目以T91钢这种铅铋堆主选结构材料为研究对象，采用小锥度圆锥体试样，重点研究了在LBE与拉应力协同作用下，马氏体钢氧化膜的组织形貌、开裂行为和机制。主要结果如下：（1）无论拉应力存在与否，(Fe,Cr)3O4层和内氧化层始终存在, 而Fe3O4层在拉应力作用下出现严重的脱落, 且Fe3O4碎片随应力增加而变小; （2）各氧化层厚度随应力增加而增加, 但增厚速率不断降低；(3)氧化膜彻底开裂的拉应力约为180MPa；(4)随着拉应力的不断增大或者时间的增加,裂纹数量增加, 且尺寸由细变粗, 并不断向(Fe,Cr)3O4层和IOZ层界面扩展, 最终贯穿整个(Fe,Cr)3O4层。 .通过分析力学-化学耦合模型计算结果可知，拉应力并未直接作用于氧化膜，而是通过改变基体蠕变行为间接影响了氧化膜内应力。这一过程中内应力增加了膜内缺陷尺寸，裂纹在缺陷尺寸达到临界值后，开始萌生和扩展。同时，内应力增加了膜内空位及元素短路扩散速率，加速了氧化膜生长。.研究成果可补充马氏体钢氧化膜在液态重金属环境下的失效机制，也可为马氏体钢在反应堆LBE中服役行为研究以及反应堆工程安全分析与设计提供参考。