铅铋核反应堆是最有希望首先实现商业化应用的第四代堆型,其燃料包壳内部包覆核燃料、储存裂变产物,外部直接与液态铅铋冷却剂接触,是反应堆安全的第一道屏障。反应堆运行时,包壳承受着冷热循环、机械振动及流致振动造成的交变载荷,这些交变载荷容易导致包壳的低周疲劳破坏,使得包壳萌生裂纹,降低其受用寿命,甚至失效破裂,丧失其结构功能,是反应堆安全运行的重大隐患。因此,开展液态铅铋共晶(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)环境下包壳材料的低周疲劳行为研究,探究包壳材料的疲劳断裂机制对燃料组件的设计优化及安全评价分析具有重要科学意义和工程价值。15-15Ti奥氏体不锈钢具有优良的抗中子辐照能力及较好的机械性能,是铅铋核反应堆燃料包壳的候选材料。本文以15-15Ti为研究对象,开展了真空和LBE环境下低周疲劳行为研究,获得了温度、应变幅对15-15Ti低周疲劳行为影响的规律,研究了550℃氧控LBE环境下的15-15Ti疲劳断裂影响机制。本文的主要研究内容与结论如下:(1)研究了真空环境下15-15Ti在不同应变幅(0.3%、0.45%、0.6%、0.75%、0.9%)和温度(室温(Room Temperature,RT)、350℃、450℃、550℃)下低周疲劳力学行为。结果表明,真空环境下低周疲劳循环加载期间,15-15Ti疲劳循环峰值应力先增加后趋于稳定,15-15Ti低周疲劳寿命随着应变幅和温度的增加而降低。相比于550℃,室温下15-15Ti的临界剪切应力更高,可开动的滑移系数量较少,裂纹尖端难以越过“障碍”,其疲劳扩展路径较为曲折,延缓了裂纹扩展。室温下单滑移为主的位错结构和更多的孪晶是裂纹扩展速率降低原因之一。粗糙的裂纹表面引起的裂纹闭合效应,降低了裂纹扩展的驱动力,也是15-15Ti低周疲劳裂纹扩展速率较低的原因。(2)针对温度为550℃、氧浓度约为5×10-6wt.%的LBE实验环境条件下,开展了 15-15Ti低周疲劳行为研究。结果显示LBE环境下15-15Ti的力学行为和真空环境中相似,但是疲劳寿命明显降低。LBE环境下疲劳试样断口形貌呈现韧性断裂和脆性断裂相结合的混合断口形貌。(3)针对温度为550℃、氧浓度约为5×10-6 wt.%实验环境条件下得到的15-15Ti疲劳断口特征和微观组织,以液态LBE导致原子间内聚力降低的液态金属脆化(Liquid Metal Embrittlement,LME)机制为基础,提出了适用于此环境下15-15Ti的LME机制。裂纹的扩展模式由理论上的原子间内聚力强度、弱化后的实际原子间内聚力强度、实际作用于原子上的正应力等多个参数竞争决定。材料内不同区域内晶粒取向差异造成剪切应力和原子间作用力变化速率差异是发生混合扩展机制的根本原因。利用优化后LME机制解释了 LBE和真空环境下15-15Ti低周疲劳试样表面微裂纹的萌生及扩展行为。(4)在考虑等向硬化和随动硬化影响的前提下,以金属粘塑性理论为基础,建立了LBE环境中550℃应变幅为0.6%条件下15-15Ti疲劳力学本构模型。根据建立的本构模型进行相关力学行为的预测和模拟,并将模拟值和实验结果进行对比分析。相关结果表明该模型能够较好地预测15-15Ti材料的疲劳力学行为,为铅基反应堆燃料组件的设计和安全评估提供了理论基础。