用于先进核能系统的12Cr-ODS铁素体钢的显微组织和力学性能

第36卷第6期 北京科技大学学报 Vol.36 No.6 2014年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2014 用于先进核能系统的12Cr一ODS铁素体钢的显微组 织和力学性能 李少夫”，周张健”四，孙永铎》，户赫龙”，王曼”，张广明”，邹雷”， 张丽伟) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中国核动力研究设计院，成都610041 ☒通信作者：E-mail:chouzhangjianustb@163.com 摘要以12C0.5Ti1W的气雾化粉和纳米Y,0,粉末为原料，通过对预合金粉末的机械合金化和热等静压烧结成型的方 法制备了12C0DS铁素体钢，然后运用锻造和热处理等方法实现对材料力学性能的提高.在透射电子显微镜下观察到组织 中弥散分布的纳米氧化物颗粒，能谱分析确定氧化物弥散颗粒为Y一T0的复杂氧化物.利用抗拉强度测试和超声无损检测 等方法对12 Cr-ODS铁素体钢的力学性能进行了分析. 关键词铁素体钢：机械合金化：热等静压：微观组织：力学性能 分类号TG142.23:TF124.32 Microstructure and mechanical properties of 12Cr-ODS ferritic steel for advanced nuclear energy systems LI Shaofu》,ZHOU Zhang jian'》,SUN Yong-duo2》,HU He-Hong',WANG Man'',ZHANG Guang-ming'”,Z0ULei', ZHANG Li-ei) 1)School of Material Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610041,China Corresponding author,E-mail:zhouzhangjianustb@163.com ABSTRACT Taking 12Cr-0.5Ti-W gas atomized powders and nona-Y2 O,as pre-alloyed powders,12Cr oxide dispersion strength- ened (ODS)ferritic steel was fabricated by mechanical alloying (MA)and hot isostatic pressing (HIP).The properties of the ferritic steel were improved by forging and heat treatment.Nano-oxide particles were observed in the microstructure by transmission electron microscopy,and these precipitated particles were identified to be Y-Ti-O complex compounds by energy dispersive X-ray spectroscopy. The mechanical properties of the ferritic steel were analyzed by tensile strength test and ultrasonic non-destructive test. KEY WORDS ferritic steel;mechanical alloying:hot isostatic pressing;microstructure:mechanical properties 核能的发展己经到了第四代，超临界水冷堆作 材料学界带来巨大的挑战回.反应堆包壳管材料 为第四代先进核能系统中唯一的水冷堆，具有非常 需要具备很好的抵抗中子辐照脆化的能力和较低 大的发展潜力，但是材料是实现第四代核反应堆高 的辐照肿胀性，同时在高温环境下也需要具有很 能运行的一个关键性问题口.超临界水冷堆需要 好的力学性能B-. 运行于较高压力(25MPa以上)、较高温度(500 目前，国内外对于第四代核反应堆包壳材料的 ℃)和强烈的中子辐照环境下，这种极端的条件给 研发工作主要集中在奥氏体不锈钢、铁素体/马氏体 收稿日期：2013-03-24 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2007CB209800) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.009:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 6 期 2014 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 6 Jun． 2014 用于先进核能系统的 12Cr--ODS 铁素体钢的 显 微 组 织和力学性能 李少夫1) ，周 张 健1) ，孙 永 铎2) ，户 赫 龙1) ，王 曼1) ，张 广 明1) ，邹 雷1) ， 张丽伟1) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 中国核动力研究设计院，成都 610041  通信作者: E-mail: zhouzhangjianustb@ 163． com 摘 要 以 12Cr--0. 5Ti--1W 的气雾化粉和纳米 Y2O3粉末为原料，通过对预合金粉末的机械合金化和热等静压烧结成型的方 法制备了 12Cr--ODS 铁素体钢，然后运用锻造和热处理等方法实现对材料力学性能的提高． 在透射电子显微镜下观察到组织 中弥散分布的纳米氧化物颗粒，能谱分析确定氧化物弥散颗粒为 Y--Ti--O 的复杂氧化物． 利用抗拉强度测试和超声无损检测 等方法对 12Cr--ODS 铁素体钢的力学性能进行了分析． 关键词 铁素体钢; 机械合金化; 热等静压; 微观组织; 力学性能 分类号 TG142. 23; TF124. 32 Microstructure and mechanical properties of 12Cr-ODS ferritic steel for advanced nuclear energy systems LI Shao-fu1) ，ZHOU Zhang-jian1)  ，SUN Yong-duo 2) ，HU He-long1) ，WANG Man1) ，ZHANG Guang-ming1) ，ZOU Lei 1) ， ZHANG Li-wei 1) 1) School of Material Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610041，China  Corresponding author，E-mail: zhouzhangjianustb@ 163． com ABSTＲACT Taking 12Cr-0. 5Ti-1W gas atomized powders and nona-Y2O3 as pre-alloyed powders，12Cr oxide dispersion strength￾ened ( ODS) ferritic steel was fabricated by mechanical alloying ( MA) and hot isostatic pressing ( HIP) ． The properties of the ferritic steel were improved by forging and heat treatment． Nano-oxide particles were observed in the microstructure by transmission electron microscopy，and these precipitated particles were identified to be Y-Ti-O complex compounds by energy dispersive X-ray spectroscopy． The mechanical properties of the ferritic steel were analyzed by tensile strength test and ultrasonic non-destructive test． KEY WOＲDS ferritic steel; mechanical alloying; hot isostatic pressing; microstructure; mechanical properties 收稿日期: 2013--03--24 基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目( 2007CB209800) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 06． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 核能的发展已经到了第四代，超临界水冷堆作 为第四代先进核能系统中唯一的水冷堆，具有非常 大的发展潜力，但是材料是实现第四代核反应堆高 能运行的一个关键性问题［1］． 超临界水冷堆需要 运行于 较 高 压 力( 25 MPa 以 上) 、较 高 温 度( 500 ℃ ) 和强烈的中子辐照环境下，这种极端的条件给 材料学界带来巨大的挑战［2］． 反应堆包壳管材料 需要具备很好的抵抗中子辐照脆化的能力和较低 的辐照肿胀性，同时在高温环境下也需要具有很 好的力学性能［3 － 4］． 目前，国内外对于第四代核反应堆包壳材料的 研发工作主要集中在奥氏体不锈钢、铁素体/马氏体

·764· 北京科技大学学报 第36卷 (ferritic/.martensitic,F/M)不锈钢、镍基合金及氧化 (1050℃，3h,空冷)之后再进行回火处理(730℃，1 物弥散强化(oxide dispersion strengthening,ODS) h,空冷). 钢-.近期研究表明，相比奥氏体钢而言，铁素体 通过扫描电子显微镜(SEM/LE0-1450)对原始 钢因具有较低的稳态肿胀率而备受关注，被认为比 雾化粉粉末和机械合金化之后的粉末进行观察和对 奥氏体不锈钢更适宜做反应堆的包壳材料·-.采 比分析；通过透射电子显微镜(TEM/JEOL一JEM)对 用粉末治金方法制备的ODS铁素体钢在高温下仍 12CODS铁素体钢的微观组织进行了观察；使用 具有优异的抗蠕变强度以及很好的抵抗中子辐照脆 电子能谱(EDS/G20)可以对实验样品的某一区域 化的能力而成为了反应堆包壳管的重要候选材 进行成分分析.采用双喷减薄方法制备了透射电镜 料口.ODS钢作为先进反应堆的包壳候选材料在日 试样，双喷侵蚀液由体积分数为10%高氯酸和90% 本、美国、欧盟等核能先进国家已进行了长期深入的 乙醇的混合溶液，仪器电压控制在25V,电流控制在 研究，在我国也得到了越来越多的重视 20~35mA. 对于ODS铁素体钢而言，Cr含量是影响其性能 使用电子万能试验机(WDW)对12Cr-ODS钢 的一个关键因素.因为随着Cr含量的提高，ODS铁 样品的拉伸性能进行测试.通过超声波无损检测仪 素体钢的抗腐蚀能力也会随之增强可.但是，过高 器(MH6)分析材料的杨氏模量等性能 的Cr含量也会对ODS铁素体钢的力学性能产生消 表1机械合金化粉末的化学成分表（质量分数） 极影响.当服役温度为400~500℃时（大约在475℃ Table 1 Nominal composition of ODS pre-alloyed powders% 时)，富含Cr元素的材料会产生一种脆性富Cr相 Cr Y203 Fe (体心立方体结构的相)，富Cr相的凝聚沉淀会 12.0 1.0 0.5 0.35 余量 引起Fe-Cr系统材料的溶解度出现间隔，造成一种 拐点式的分解，从而引起材料的脆化效应.综合考 2实验结果 虑，本实验选取了Cr质量分数为12%的ODS铁素 体钢作为研究对象. 2.1机械合金化效果 本文以12Cr0.5Ti-1W的氮气雾化粉作为原 在高能球磨过程中，大量且剧烈的碰撞现象发 料，加入质量分数为0.35%的Y203纳米氧化物粉 生在不锈钢球、粉末和不锈钢球磨罐之间，被捕获到 末，通过高能球磨的方法实现粉末的机械合金化，再 的粉末经过碰撞发生严重的塑性变形，使粉末受到 “微形”锻造作用，强制罐内粉末进行冷焊一断裂一 通过热等静压烧结成型的方法制备了12C一ODS铁 冷焊过程，最终达到原子级混合，使难熔氧化物 素体钢，最后对12CODS铁素体钢进行了显微组 Y,O,固溶于雾化合金粉中，形成亲密固溶体，最终 织结构的观察以及力学性能的测试 实现机械合金化可 1实验材料及方法 图1为原始雾化粉末和机械合金化粉末的扫描 电镜照片.原始雾化粉末呈规则球形，粒径大小比 在本实验中，选取平均粒径小于74m的氮气 较均匀.经过机械合金化之后的粉末粒径在十几微 雾化粉和平均粒径约为30m的Y203粉末作为实 米到几十微米之间.粉末呈现不规则的扁平状，这 验原料，具体成分如表1所示.将不锈钢球和预合 是由于雾化粉在球磨罐中与磨球发生了随机且剧烈 金粉末以球料质量比为5：1的比例置于不锈钢球磨 的碰撞. 罐中，在氩气氛围保护下，使用QM-WX10型全方位 高能球磨后，粉体中的过量氧含量（即扣除所 行星式球磨机以380rmin1的转速对预合金粉末 添加的Y,O,中结合的氧质量分数后剩余的氧质量 进行高能球磨，球磨时间为30h.然后将球磨后得 分数)是评价机械合金化效果的一个重要指标.如 到的粉末装入包套中，在密闭空间内，运用加热和挤 果机械合金化后的粉体中的过量氧含量过高，粉体 压等方法对包套中的粉末进行脱气和密封.通过热 中形成的大量含氧杂质会导致烧结成型后样品的致 等静压对包套内的粉末进行烧结成型，热等静压的 密性以及力学性能都大大降低回.在本实验中，采 条件是1150℃，200MPa,保温时间为3h.运用锻造 用惰性气脉冲红.外热导法（ASTME1019一2005)测 和热处理等方法改善12CODS铁素体钢的力学性 定了机械合金化后粉末中过量氧含量，所得机械合 能.锻造方式为自由锻，始锻温度为1150℃，终锻 金化后粉体中的过量氧含量仅为0.076%，说明机 温度为750℃，锻造比为3：1.热处理工艺为正火 械合金化过程的参数控制合理

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 ( ferritic /martensitic，F /M) 不锈钢、镍基合金及氧化 物弥 散 强 化 ( oxide dispersion strengthening，ODS) 钢［5 － 6］． 近期研究表明，相比奥氏体钢而言，铁素体 钢因具有较低的稳态肿胀率而备受关注，被认为比 奥氏体不锈钢更适宜做反应堆的包壳材料［7 － 8］． 采 用粉末冶金方法制备的 ODS 铁素体钢在高温下仍 具有优异的抗蠕变强度以及很好的抵抗中子辐照脆 化的能力而成为了反应堆包壳管的重要候选材 料［1］． ODS 钢作为先进反应堆的包壳候选材料在日 本、美国、欧盟等核能先进国家已进行了长期深入的 研究，在我国也得到了越来越多的重视． 对于 ODS 铁素体钢而言，Cr 含量是影响其性能 的一个关键因素． 因为随着 Cr 含量的提高，ODS 铁 素体钢的抗腐蚀能力也会随之增强［9］． 但是，过高 的 Cr 含量也会对 ODS 铁素体钢的力学性能产生消 极影响． 当服役温度为 400 ～ 500 ℃时( 大约在 475 ℃ 时) ，富含 Cr 元素的材料会产生一种脆性富 Cr 相 ( 体心立方体结构的 α'相) ，富 Cr 相的凝聚沉淀会 引起 Fe--Cr 系统材料的溶解度出现间隔，造成一种 拐点式的分解，从而引起材料的脆化效应． 综合考 虑，本实验选取了 Cr 质量分数为 12% 的 ODS 铁素 体钢作为研究对象． 本文以 12Cr--0. 5Ti--1W 的氮气雾化粉作为原 料，加入质量分数为 0. 35% 的 Y2 O3 纳米氧化物粉 末，通过高能球磨的方法实现粉末的机械合金化，再 通过热等静压烧结成型的方法制备了 12Cr--ODS 铁 素体钢，最后对 12Cr--ODS 铁素体钢进行了显微组 织结构的观察以及力学性能的测试． 1 实验材料及方法 在本实验中，选取平均粒径小于 74 μm 的氮气 雾化粉和平均粒径约为 30 nm 的 Y2 O3 粉末作为实 验原料，具体成分如表 1 所示． 将不锈钢球和预合 金粉末以球料质量比为 5∶ 1的比例置于不锈钢球磨 罐中，在氩气氛围保护下，使用 QM--WX10 型全方位 行星式球磨机以 380 r·min － 1 的转速对预合金粉末 进行高能球磨，球磨时间为 30 h． 然后将球磨后得 到的粉末装入包套中，在密闭空间内，运用加热和挤 压等方法对包套中的粉末进行脱气和密封． 通过热 等静压对包套内的粉末进行烧结成型，热等静压的 条件是 1150 ℃，200 MPa，保温时间为 3 h． 运用锻造 和热处理等方法改善 12Cr--ODS 铁素体钢的力学性 能． 锻造方式为自由锻，始锻温度为 1150 ℃，终锻 温度为 750 ℃，锻造比为 3∶ 1． 热处理工艺为正火 ( 1050 ℃，3 h，空冷) 之后再进行回火处理( 730 ℃，1 h，空冷) ． 通过扫描电子显微镜( SEM/LEO--1450) 对原始 雾化粉粉末和机械合金化之后的粉末进行观察和对 比分析; 通过透射电子显微镜( TEM/JEOL--JEM) 对 12Cr--ODS 铁素体钢的微观组织进行了观察; 使用 电子能谱( EDS /G20) 可以对实验样品的某一区域 进行成分分析． 采用双喷减薄方法制备了透射电镜 试样，双喷侵蚀液由体积分数为 10% 高氯酸和 90% 乙醇的混合溶液，仪器电压控制在 25 V，电流控制在 20 ～ 35 mA． 使用电子万能试验机( WDW) 对 12Cr--ODS 钢 样品的拉伸性能进行测试． 通过超声波无损检测仪 器( MH--6) 分析材料的杨氏模量等性能． 表 1 机械合金化粉末的化学成分表( 质量分数) Table 1 Nominal composition of ODS pre-alloyed powders % Cr W Ti Y2O3 Fe 12. 0 1. 0 0. 5 0. 35 余量 2 实验结果 2. 1 机械合金化效果 在高能球磨过程中，大量且剧烈的碰撞现象发 生在不锈钢球、粉末和不锈钢球磨罐之间，被捕获到 的粉末经过碰撞发生严重的塑性变形，使粉末受到 “微形”锻造作用，强制罐内粉末进行冷焊—断裂— 冷焊 过 程，最终达到原子级混合，使 难 熔 氧 化 物 Y2O3固溶于雾化合金粉中，形成亲密固溶体，最终 实现机械合金化［9］． 图 1 为原始雾化粉末和机械合金化粉末的扫描 电镜照片． 原始雾化粉末呈规则球形，粒径大小比 较均匀． 经过机械合金化之后的粉末粒径在十几微 米到几十微米之间． 粉末呈现不规则的扁平状，这 是由于雾化粉在球磨罐中与磨球发生了随机且剧烈 的碰撞． 高能球磨后，粉体中的过量氧含量( 即扣除所 添加的 Y2O3中结合的氧质量分数后剩余的氧质量 分数) 是评价机械合金化效果的一个重要指标． 如 果机械合金化后的粉体中的过量氧含量过高，粉体 中形成的大量含氧杂质会导致烧结成型后样品的致 密性以及力学性能都大大降低［9］． 在本实验中，采 用惰性气脉冲红外热导法( ASTME1019—2005) 测 定了机械合金化后粉末中过量氧含量，所得机械合 金化后粉体中的过量氧含量仅为 0. 076% ，说明机 械合金化过程的参数控制合理． ·764·

第6期 李少夫等：用于先进核能系统的12 Cr-ODS铁素体钢的显微组织和力学性能 ·765· 50m 50m 图1不同粉末的扫描电镜照片.(a)原始雾化粉末：(b)机械合金化粉末 Fig.1 SEM images of different powers:(a)original atomized powders:(b)mechanical alloying powders 2.2微观组织形貌观察 远远小于能谱分析的最小探测范围，所以能谱分析 图2(a)所示为热等静压后12Cr-0DS铁素体 数据中的物质组成既包含弥散氧化物颗粒的所有成 钢的组织形貌图.图中晶粒尺寸相差不大，晶界较 分，又包含基体成分，这即是能谱分析数据中Fe、Cr 为明显.从图2(b)可以观察到晶粒内部弥散分布 合金元素含量很高的一个原因. 着许多淡灰色的微小颗粒，尺寸在纳米级别.选取 除去能谱分析数据中所包含的Fe、Cr合金元素 其中一个粒径较大的灰色颗粒（箭头所指）进行能 的质量分数，可以推断出所探测的纳米颗粒主要由 谱分析如图2(c)所示，此区域成分主要包括Fe、Cr、 Y、Ti和0三种元素组成.相关研究认为@，Y203 Y、T、0等元素.由于纳米氧化物弥散颗粒的直径 与金属粉末在机械合金化后，Y203不会以原始氧化 a (b) 500nm 100nm (e) Fe 元素 原子分数/% 心 11.06 Fe 8258 T 2.95 Y 0.11 1.21 Fe d Y 810 12141618 能量值keV 图212CODS铁素体钢透射电镜照片和能谱.(a)组织形貌：(b)纳米颗粒形貌：(c)纳米颗粒能谱 Fig.2 TEM images and EDS spectrum of 12Cr-ODS ferritic steel:(a)morphology of the material:(b)morphology of nanoparticles:(c)EDS spec- trum of the nanoparticle

第 6 期 李少夫等: 用于先进核能系统的 12Cr--ODS 铁素体钢的显微组织和力学性能 图 1 不同粉末的扫描电镜照片． ( a) 原始雾化粉末; ( b) 机械合金化粉末 Fig． 1 SEM images of different powers: ( a) original atomized powders; ( b) mechanical alloying powders 2. 2 微观组织形貌观察 图 2( a) 所示为热等静压后 12Cr--ODS 铁素体 钢的组织形貌图． 图中晶粒尺寸相差不大，晶界较 图 2 12Cr--ODS 铁素体钢透射电镜照片和能谱． ( a) 组织形貌; ( b) 纳米颗粒形貌; ( c) 纳米颗粒能谱 Fig． 2 TEM images and EDS spectrum of 12Cr-ODS ferritic steel: ( a) morphology of the material; ( b) morphology of nanoparticles; ( c) EDS spec￾trum of the nanoparticle 为明显． 从图 2( b) 可以观察到晶粒内部弥散分布 着许多淡灰色的微小颗粒，尺寸在纳米级别． 选取 其中一个粒径较大的灰色颗粒( 箭头所指) 进行能 谱分析如图 2( c) 所示，此区域成分主要包括 Fe、Cr、 Y、Ti、O 等元素． 由于纳米氧化物弥散颗粒的直径 远远小于能谱分析的最小探测范围，所以能谱分析 数据中的物质组成既包含弥散氧化物颗粒的所有成 分，又包含基体成分，这即是能谱分析数据中 Fe、Cr 合金元素含量很高的一个原因． 除去能谱分析数据中所包含的 Fe、Cr 合金元素 的质量分数，可以推断出所探测的纳米颗粒主要由 Y、Ti 和 O 三种元素组成． 相关研究认为［10］，Y2 O3 与金属粉末在机械合金化后，Y2O3不会以原始氧化 ·765·

·766 北京科技大学学报 第36卷 物颗粒形式存在，而是分解并固溶到基体中，然后再 以及高温拉伸性能测试，并对锻造后热处理试样进 以复杂氧化物形式析出.Y-i-0复杂氧化物可以 行常温拉伸性能测试，结果如表2所示 按化学计量比和非化学计量比分成两大类.符合化 12 Cr-ODS铁素体钢试样在室温下的拉伸强度 学计量比的氧化物主要包括Y,Ti20,和Y2Ti,0,即 达到931MPa,与国外同类材料性能相当m.在700 是在12C0DS铁素体钢中可以起到弥散强化作用 ℃高温条件下，拉伸强度仍保持较高水平，可以达到 的纳米氧化物弥散颗粒 260MPa.通过断后伸长率判断材料的塑性.12Cr一 2.3拉伸性能测试 0DS铁素体钢在室温下的断后伸长率为10.23%， 对热等静压态的12 Cr-ODS铁素体钢进行常温 在700℃高温条件下断后伸长率则达到了23%. 表212Cr0DS铁素体钢的拉伸性能 Table 2 Tensile properties of 12Cr-ODS ferritic steel 试样 试验温度/℃ 抗拉强度/MPa 非比例延伸强度/MPa断后伸长率/% 断面收缩率/% 12 Cr-ODS原始（常温） 23 931 478 10.23 35.0 12Cr0DS原始(700℃) 700 260 220 23.00 34.5 12Cr0DS锻造+热处理 23 875 680 17.50 53.0 对试样进行锻造和热处理，目的在于减少材料 的内部组织缺陷并提高材料的塑性.如表2所示， 材料的抗拉强度仅仅下降了6.02%，而断后伸长率 增长比率却达到了71.07%.由此可见，经过锻造和 热处理之后的12 Cr-ODS铁素体钢在保持强度的同 时塑性得到了很大幅度的提高 图3为12 Cr-ODS铁素体钢室温拉伸断口扫描 电镜照片.断口处分布着大量韧窝，这些韧窝不但 具有较好的均匀性，而且具有很高的深度.韧窝的 20 um 大小和深浅取决于第二相的数量、分布情况以及基 图312Cr0DS铁素体钢常温拉伸断口形貌 体的塑性变形能力，如果第二相较少、分布均匀并且 Fig.3 SEM image of the fracture surface of a 12Cr-ODS sample after 基体塑性变形能力很强，那么材料经过拉伸断裂之 tensile strength test at room temperature 后，断口处会出现大而且深的韧窝.因此可以推断 ,32-4 出本实验中的12 Cr-ODS铁素体钢的断裂方式是塑 E=p哈-R (2) 性断裂，说明12C-ODS铁素体钢具有比较优异的 G=pV, (3) 塑性以及可加工性，并且在材料内部形成的第二相 分布也具有很好的均匀性 (4) 2.4杨氏模量与切变模量 基于声学显微镜技术，选用NI工控机和5900 2)- 脉冲发射仪，利用超声波线聚焦PVDF探头，通过同 式中，Cr为瑞利波与横波的比例常数，p为各向同 时测定纵波波速和表面波波速两个物理量，经过计 性材料的密度，V、V和V分别是瑞利波速、横波波 算可以得到泊松比、杨氏模量和切变模量.计算方 速和纵波波速，E为杨氏模量，G为切变模量，σ为 法由弹性动力学理论可知网.对不同材料的小试 泊松比. 件弹性常数进行了测量，结果与常规实验结果和理 通过超声波无损检测方法对12CODS铁素体 论值相吻合，表明该方法和结果非常可靠.误差分 钢进行了相关测试，结果如表3所示.本实验材料 析结果表明本测试系统及测试方法具有较高的测量 的杨氏模量达到了211.36GPa.杨氏模量可以直接 精度，泊松比和杨氏模量的测量误差均小于3%，能 反映出材料的刚性.由于普通商用钢铁的杨氏模量 够满足工程及科学研究的要求2-1) 大约在190~200GPa,因此可以说明经过氧化物弥 VR CRTVT, (1) 散强化的12Cr-ODS铁素体钢具有较高的硬度和很

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 物颗粒形式存在，而是分解并固溶到基体中，然后再 以复杂氧化物形式析出． Y--Ti--O 复杂氧化物可以 按化学计量比和非化学计量比分成两大类． 符合化 学计量比的氧化物主要包括 Y2Ti2O5和 Y2Ti2O7，即 是在 12Cr--ODS 铁素体钢中可以起到弥散强化作用 的纳米氧化物弥散颗粒． 2. 3 拉伸性能测试 对热等静压态的 12Cr--ODS 铁素体钢进行常温 以及高温拉伸性能测试，并对锻造后热处理试样进 行常温拉伸性能测试，结果如表 2 所示． 12Cr--ODS 铁素体钢试样在室温下的拉伸强度 达到 931 MPa，与国外同类材料性能相当［11］． 在 700 ℃高温条件下，拉伸强度仍保持较高水平，可以达到 260 MPa． 通过断后伸长率判断材料的塑性． 12Cr-- ODS 铁素体钢在室温下的断后伸长率为 10. 23% ， 在 700 ℃高温条件下断后伸长率则达到了 23% ． 表 2 12Cr--ODS 铁素体钢的拉伸性能 Table 2 Tensile properties of 12Cr-ODS ferritic steel 试样 试验温度/℃ 抗拉强度/MPa 非比例延伸强度/MPa 断后伸长率/% 断面收缩率/% 12Cr--ODS 原始( 常温) 23 931 478 10. 23 35. 0 12Cr--ODS 原始( 700 ℃ ) 700 260 220 23. 00 34. 5 12Cr--ODS 锻造 + 热处理 23 875 680 17. 50 53. 0 对试样进行锻造和热处理，目的在于减少材料 的内部组织缺陷并提高材料的塑性． 如表 2 所示， 材料的抗拉强度仅仅下降了 6. 02% ，而断后伸长率 增长比率却达到了 71. 07% ． 由此可见，经过锻造和 热处理之后的 12Cr--ODS 铁素体钢在保持强度的同 时塑性得到了很大幅度的提高． 图 3 为 12Cr--ODS 铁素体钢室温拉伸断口扫描 电镜照片． 断口处分布着大量韧窝，这些韧窝不但 具有较好的均匀性，而且具有很高的深度． 韧窝的 大小和深浅取决于第二相的数量、分布情况以及基 体的塑性变形能力，如果第二相较少、分布均匀并且 基体塑性变形能力很强，那么材料经过拉伸断裂之 后，断口处会出现大而且深的韧窝． 因此可以推断 出本实验中的 12Cr--ODS 铁素体钢的断裂方式是塑 性断裂，说明 12Cr--ODS 铁素体钢具有比较优异的 塑性以及可加工性，并且在材料内部形成的第二相 分布也具有很好的均匀性． 2. 4 杨氏模量与切变模量 基于声学显微镜技术，选用 NI 工控机和 5900 脉冲发射仪，利用超声波线聚焦 PVDF 探头，通过同 时测定纵波波速和表面波波速两个物理量，经过计 算可以得到泊松比、杨氏模量和切变模量． 计算方 法由弹性动力学理论可知［12］． 对不同材料的小试 件弹性常数进行了测量，结果与常规实验结果和理 论值相吻合，表明该方法和结果非常可靠． 误差分 析结果表明本测试系统及测试方法具有较高的测量 精度，泊松比和杨氏模量的测量误差均小于 3% ，能 够满足工程及科学研究的要求［12 － 13］． VＲ = CＲT VT， ( 1) 图 3 12Cr--ODS 铁素体钢常温拉伸断口形貌 Fig． 3 SEM image of the fracture surface of a 12Cr-ODS sample after tensile strength test at room temperature E = ρV2 T 3V2 L － 4V2 T V2 L － V2 T ， ( 2) G = ρV2 T， ( 3) σ ( = VL V ) T 2 － 2 2 [ ( VL V ) T 2 － 1 ] ． ( 4) 式中，CＲT为瑞利波与横波的比例常数，ρ 为各向同 性材料的密度，VＲ、VT和 VL分别是瑞利波速、横波波 速和纵波波速，E 为杨氏模量，G 为切变模量，σ 为 泊松比． 通过超声波无损检测方法对 12Cr--ODS 铁素体 钢进行了相关测试，结果如表 3 所示． 本实验材料 的杨氏模量达到了 211. 36 GPa． 杨氏模量可以直接 反映出材料的刚性． 由于普通商用钢铁的杨氏模量 大约在 190 ～ 200 GPa，因此可以说明经过氧化物弥 散强化的 12Cr--ODS 铁素体钢具有较高的硬度和很 ·766·

第6期 李少夫等：用于先进核能系统的12CODS铁素体钢的显微组织和力学性能 ·767· 好的抵抗外界压力的能力. dispersion strengthened steels in supereritical water environment. J Nucl Mater,2004,329333:387 表3超声波法测试12CODS铁素体钢的力学性能 4]Alinger M J,Odette G R,Hoelzer DT.The development and sta- Table 3 Ultrasonic test results of 12Cr-ODS ferritic steel bility of YTi-O nanoclusters in mechanically alloyed Fe-Cr based 纵波波速/瑞利波速/密度/ 杨氏模量/切变模量/ 泊松比 ferritic alloys.J Nucl Mater,2004,329333:382 (ms1)(ms1)(gm3) GPa GPa [5] Murty K L,Charit I.Structural materials for Gen-V nuclear reac- 5847.8 3060.6 7.5970.2622211.36 83.723 tors.J Nucl Mater,2008,383:189 Raindur S.Materials challenges for the supereritical watercooled reactor (SCWR).Bull Can Nucl Soc,2008,29(1)32 3结论 Sakasegawa H,Chaffron L,Legendre F,et al.Evaluation of (1)在氩气氛围保护下，使用机械球磨的方法 threshold stress of the MA957 ODS ferritic alloy.J Nucl Mater, 2009,386388:511 可以使原始雾化粉末达到机械合金化效果，球磨后 [8]Asano K,Kohno Y,Kohyama A,et al.Microstructural evolution 的粉末具有较低的过量氧含量值 of an oxide dispersion strengthened steel under charged particle ir- (2)通过透射电镜观察，在12Cr-0DS铁素体 radiation.J Nucl Mater,1988,155(2):928 钢中弥散分布着很多粒径尺寸为纳米级别的灰色小 [9]He P,Zhou Z J,Li M,et al.Effect of mechanical alloying on the 颗粒，能谱分析显示此颗粒为Y-T-0的复杂氧化 microstructural properties of powder particles for oxide dispersion strengthened ferritic steels.J Univ Sci Technol Beijing,2009,31 物.这种氧化物弥散颗粒可以在ODS铁素体钢中 (7):836 起到弥散强化的效果 (何培，周张健，李明，等.机械合金化对ODS铁素体钢粉末 (3)在常温条件下，12Cr-ODS铁素体钢具有 的微观形貌和结构的影响.北京科技大学学报，2009,31 (7):836) 优异的抗拉强度(931MPa)和塑性，材料的断后伸 [10]Sakasegawa H,Chaffron L,Legendre F,et al.Correlation be- 长率可以达到10.23%.扫描电镜断口分析结果说 tween chemical composition and size of very small oxide particles 明，12 Cr-ODS铁素体钢的断裂方式为塑性断裂，并 in the MA957 ODS Ferritic alloy.J Nucl Mater,2009,384 (2) 且弥散分布在材料内部的第二相也具有很好的均匀 115 性.锻造和热处理可改善材料内部组织的均匀性， [11]Schaeublin R,Leguey T,Spatig P,et al.Microstructure and 从而进一步提高材料的塑性以及可加工性. mechanical properties of two ODS ferritic/martensitic steels.J Nucl Mater,2002,307(1):778 (4)相比一般的商用钢而言，本实验室所制备 [12]Wei Q,Wei T,Dong S R,et al.Ultrasonic determination of 的12CODS铁素体钢的刚性更高，抵抗外界压力 Young's and shear modulus of metal materials.I Jiangsu Univ 的能力更强。 Sci Technol Nat Sci Ed,2012,26(1):27 (魏秦，卫婷，董诗润，等.超声波法测量金属材料的杨氏模 参考文献 量和剪切模量.江苏科技大学学报：自然科学版，2012,26 [Kimura A,Kasada R,Iwata N,et al.Development of Al added (1):27) high-Cr ODS steels for fuel cladding of next generation nuclear sys- 03] Song G R,He C F,Huang Y,et al.Research of small sample tems.J Nucl Mater,2011,417(1):176 material elastic constant ultrasonic measurement method.J Basic Schulenberg T,Starflinger J,Marsault P,et al.European super- Sci Eng,2007,15(2):226 critical water cooled reactor.Nucl Eng Des,2011,241 (9):3504 (宋国荣，何存富，黄垚，等.小试件材料弹性常数超声测量 B]Cho H S,Kimura A,Ukai S,et al.Corrosion properties of oxide 方法的研究.应用基础与科学工程学报，2007,15(2)：226)

第 6 期 李少夫等: 用于先进核能系统的 12Cr--ODS 铁素体钢的显微组织和力学性能 好的抵抗外界压力的能力． 表 3 超声波法测试 12Cr--ODS 铁素体钢的力学性能 Table 3 Ultrasonic test results of 12Cr-ODS ferritic steel 纵波波速/ ( m·s － 1 ) 瑞利波速/ ( m·s － 1 ) 密度/ ( g·m － 3 ) 泊松比 杨氏模量/ GPa 切变模量/ GPa 5847. 8 3060. 6 7. 597 0. 2622 211. 36 83. 723 3 结论 ( 1) 在氩气氛围保护下，使用机械球磨的方法 可以使原始雾化粉末达到机械合金化效果，球磨后 的粉末具有较低的过量氧含量值． ( 2) 通过透射电镜观察，在 12Cr--ODS 铁素体 钢中弥散分布着很多粒径尺寸为纳米级别的灰色小 颗粒，能谱分析显示此颗粒为 Y--Ti--O 的复杂氧化 物． 这种氧化物弥散颗粒可以在 ODS 铁素体钢中 起到弥散强化的效果． ( 3) 在常温条件下，12Cr--ODS 铁素体钢具有 优异的抗拉强度( 931 MPa) 和塑性，材料的断后伸 长率可以达到 10. 23% ． 扫描电镜断口分析结果说 明，12Cr--ODS 铁素体钢的断裂方式为塑性断裂，并 且弥散分布在材料内部的第二相也具有很好的均匀 性． 锻造和热处理可改善材料内部组织的均匀性， 从而进一步提高材料的塑性以及可加工性． ( 4) 相比一般的商用钢而言，本实验室所制备 的 12Cr--ODS 铁素体钢的刚性更高，抵抗外界压力 的能力更强． 参 考 文 献 ［1］ Kimura A，Kasada Ｒ，Iwata N，et al． Development of Al added high-Cr ODS steels for fuel cladding of next generation nuclear sys￾tems． J Nucl Mater，2011，417( 1) : 176 ［2］ Schulenberg T，Starflinger J，Marsault P，et al． European super￾critical water cooled reactor． Nucl Eng Des，2011，241( 9) : 3504 ［3］ Cho H S，Kimura A，Ukai S，et al． Corrosion properties of oxide dispersion strengthened steels in super-critical water environment． J Nucl Mater，2004，329-333: 387 ［4］ Alinger M J，Odette G Ｒ，Hoelzer D T． The development and sta￾bility of Y-Ti-O nanoclusters in mechanically alloyed Fe-Cr based ferritic alloys． J Nucl Mater，2004，329-333: 382 ［5］ Murty K L，Charit I． Structural materials for Gen-IV nuclear reac￾tors． J Nucl Mater，2008，383: 189 ［6］ Ｒaindur S． Materials challenges for the supercritical water-cooled reactor ( SCWＲ) ． Bull Can Nucl Soc，2008，29( 1) : 32 ［7］ Sakasegawa H，Chaffron L，Legendre F，et al． Evaluation of threshold stress of the MA957 ODS ferritic alloy． J Nucl Mater， 2009，386-388: 511 ［8］ Asano K，Kohno Y，Kohyama A，et al． Microstructural evolution of an oxide dispersion strengthened steel under charged particle ir￾radiation． J Nucl Mater，1988，155( 2) : 928 ［9］ He P，Zhou Z J，Li M，et al． Effect of mechanical alloying on the microstructural properties of powder particles for oxide dispersion strengthened ferritic steels． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31 ( 7) : 836 ( 何培，周张健，李明，等． 机械合金化对 ODS 铁素体钢粉末 的微观形貌和结构 的 影 响． 北京科技大学学报，2009，31 ( 7) : 836) ［10］ Sakasegawa H，Chaffron L，Legendre F，et al． Correlation be￾tween chemical composition and size of very small oxide particles in the MA957 ODS Ferritic alloy． J Nucl Mater，2009，384( 2) : 115 ［11］ Schaeublin Ｒ，Leguey T，Sptig P，et al． Microstructure and mechanical properties of two ODS ferritic /martensitic steels． J Nucl Mater，2002，307( 1) : 778 ［12］ Wei Q，Wei T，Dong S Ｒ，et al． Ultrasonic determination of Young’s and shear modulus of metal materials． J Jiangsu Univ Sci Technol Nat Sci Ed，2012，26( 1) : 27 ( 魏秦，卫婷，董诗润，等． 超声波法测量金属材料的杨氏模 量和剪切模量． 江苏科技大学学报: 自然科学版，2012，26 ( 1) : 27) ［13］ Song G Ｒ，He C F，Huang Y，et al． Ｒesearch of small sample material elastic constant ultrasonic measurement method． J Basic Sci Eng，2007，15( 2) : 226 ( 宋国荣，何存富，黄垚，等． 小试件材料弹性常数超声测量 方法的研究． 应用基础与科学工程学报，2007，15( 2) : 226) ·767·