Solid-solution strengthening by Al and Cr in FeCrAl oxide-dispersion-strengthened alloys

FeCrAl-ODS合金のAl, Crの固溶強化

鵜飼 重治*; 矢野 康英  ; 井上 利彦 ; 曽和 貴志*

Ukai, Shigeharu*; Yano, Yasuhide; Inoue, Toshihiko; Sowa, Takashi*

FeCrAl-ODS鋼は、軽水炉の事故耐性燃料に対する有望な材料として期待されている。この合金に対してAlとCrは鍵となる元素であり、Crはアルミナ形成を促進し、Alは脆性相となるCrリッチ相(')の形成を抑制する重要な相乗効果を有している。今回の研究では、Cr(9-16at.%)とAl(10-17 at.%)の添加量を系統的に変化させ、室温, 300, 700度の引張試験を実施し、CrとAlの両添加に及ぼす固溶強化に関する調査を行った。その結果、軽水炉の運転温度である300度において、CrとAlの1at.%当りの固溶強化量は、それぞれ20, 5MPaと直線的に増加することが分かった。この固溶強化量は、一般的なFleischer-Friedel理論やLabusch理論では説明できず、鈴木の変形はラセン転位の2重キンク機構により説明可能であることを明らかにした。本研究成果は、文部科学省の原子力システム研究開発事業による委託業務として、北海道大学が実施した平成25-28年度「事故時高温条件での燃料健全性確保のためのODSフェライト鋼燃料被覆管」の研究成果である。

FeCrAl oxide dispersion strengthened alloys are promising materials for accident tolerant fuels for light water reactors (LWRs). In these alloys, Al and Cr are key elements with important synergistic effects: enhancement of the formation of oxidation-resistant AlO phase by Cr addition and suppression of the formation of the embrittling Cr-rich ' phase by Al addition. The solid-solution strengthening resulting from Al and Cr co-addition was investigated in this study. The solid-solution strengthening resulting from Al and Cr co-addition was investigated in this study. The Al and Cr contents were systematically varied from 9-16 at.% and 10-17 at.%, respectively, and tensile tests were conducted at 298 K, 573 K and 973 K in the as-annealed condition. The solid solution strengthening increased linearly, 20 MPa per 1 at.% Al and 5 MPa per 1 at.% Cr, at the typical LWR operational temperature of 573 K. The conventional Fleischer-Friedel and Labusch theories cannot explain this level of solid-solution strengthening. It was shown that Suzuki's double kink theory for screw dislocations reasonably predicts the solid solution strengthening by Al and Cr as well as the inverse dependency on the absolute temperature and linear dependency on the Al and Cr content.