梯度纳米结构对低活化铁素体/马氏体钢焊接接头疲劳机制的影响

The application of reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steels and their welded joints is restricted greatly as structural materials in accelerator driven subcritical system (ADS) due to their relatively poor fatigue properties. In this project, SIMP RAFM steels (11Cr-WVTaSi) are chosen as base metals, and welded joints of the SIMP RAFM steels will be treated by means of surface mechanical rolling treatment (SMRT) to obtain a surface gradient nanostructure layer. The fatigue properties of the welded joints of SIMP RAFM steels are expected to be promoted, thanks to the excellent compatibility between strength and plasticity for the surface gradient nanostructure. High/low-cycle fatigue properties of the welded joint of SIMP RAFM steels with a surface gradient nanostructure layer would be studied systematically. Cyclic deformation behaviors and mechanisms as well as damage behaviors of the gradient nanostructure layer are also to be researched during fatigue process. Besides, effects of the gradient nanostructure layer on fatigue crack initiation and propagation will be studied, and subsequently effects of the gradient nanostructure layer on fatigue behaviors of the welded joints of SIMP RAFM steels are also to be revealed essentially. The study provides a novel method to realize promotion for fatigue properties of welded joints of RAFM steels, and it also offers a theoretical basis for the application of RAFM steels in ADS systems, especially in spallation target systems.

针对低活化铁素体/马氏体钢及焊接接头在加速器驱动次临界系统（ADS）结构应用中所面临的疲劳性能差的问题，本项目以SIMP低活化铁素体/马氏体钢（11Cr-WVTaSi）焊接接头为研究对象，采用表面机械碾压纳米化技术（SMRT）在SIMP钢焊接接头表面制备出梯度纳米结构层。利用表面梯度纳米结构优异的强-塑性匹配特性以期提升SIMP钢焊接接头的疲劳性能。系统研究这种表面梯度纳米结构的焊接接头的高/低周疲劳性能，重点分析梯度纳米结构层在疲劳过程中的循环变形行为及疲劳损伤机制。分析表面梯度纳米结构层对疲劳裂纹萌生与扩展的影响机制，从本质上揭示表面梯度纳米结构对低活化铁素体/马氏体钢焊接接头疲劳行为的影响规律。研究结果将为低活化铁素体/马氏体钢焊接接头疲劳性能提升提供新的理念，也为低活化铁素体/马氏体钢在ADS系统尤其在散裂靶系统中应用提供必要的理论基础。

针对低活化铁素体/马氏体钢及焊接接头在加速器驱动次临界系统（ADS）结构应用中所面临的疲劳性能、液态金属氧化腐蚀性能亟待提升的问题，本项目以低活化铁素体/马氏体钢（11Cr-WVTaSi、9Cr-WVTaSi）母材及焊接接头为研究对象，采用表面机械碾压纳米化技术（SMRT）在低活化铁素体/马氏体钢母材及焊接接头表面成功制备出梯度纳米结构层。.利用表面梯度纳米结构优异的表面化学反应活性成功提升了低活化铁素体/马氏体钢的抗液态铅铋合金氧化腐蚀性能 (550˚C)，并揭示了表面梯度纳米结构的作用机制，即GNS促进选择性氧化，产生了富Mn与Si的致密的尖晶石FeCr2O4层，有效阻碍了Fe与O原子的反应扩散，提升了氧化腐蚀性能。.利用表面梯度纳米结构优异的强-塑性匹配特性，有效提升了低活化铁素体/马氏体钢母材及焊接接头的疲劳性能。系统研究了具有表面梯度纳米结构的低活化铁素体/马氏体钢母材及焊接接头的高/低周疲劳性能。发现表面梯度纳米结构可显著提高低活化铁素体/马氏体钢的应力控制的高周疲劳性能，并阐明了疲劳过程中的循环变形行为、循环变形机制及疲劳损伤机制。研究并揭示了具有表面梯度纳米结构的低活化铁素体/马氏体钢的应变控制的低周疲劳行为，以及疲劳过程中的循环变形行为、循环变形机制及疲劳损伤机制。发现表面梯度纳米结构可有效提升低活化铁素体/马氏体钢电子束焊接接头的疲劳性能。分析了表面梯度纳米结构层对疲劳裂纹萌生与扩展的影响机制，从本质上揭示表面梯度纳米结构对低活化铁素体/马氏体钢母材及焊接接头疲劳行为的影响规律。.本项目的研究结果将为低活化铁素体/马氏体钢母材及焊接接头疲劳性能、液态铅铋合金中的氧化腐蚀性能提升提供新的理念，同时也为低活化铁素体/马氏体钢在ADS系统尤其在散裂靶系统中应用提供必要的理论基础。