冷輾平及時效處理對18MND5鋼筒體試板力學(xué)性能的影響

杜軍毅 段紅玲

(中國第二重型機械集團(tuán)公司核容所，四川618013)

為保證核電焊縫見證件與母材在材質(zhì)成分、均質(zhì)性、鍛造比、熱處理工藝上保持一致，大型容器設(shè)計部門和制造廠通常從產(chǎn)品性能合格的大型容器延長段上取焊縫見證件。然而，由于所需要的焊縫見證件尺寸往往≥1 500 mm，每對焊縫見證件可能取自不同工件，以及弧形試板焊接、取樣困難等諸多原因，大型容器設(shè)計部門和制造廠已開始要求從壓力容器上取下弧板焊縫見證件輾平后交貨。

從目前大型板焊結(jié)構(gòu)核電、化工容器制造上看，筒節(jié)的制造大多采用鋼板冷卷、溫卷的制造方式。與之相應(yīng)，筒體試板的制造也可以采用冷成型、溫成型的制造方式。但從目前CPR1 000壓力容器、蒸發(fā)器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和達(dá)到力學(xué)性能指標(biāo)看并不富裕。為達(dá)到理想的溫成型效果，往往需要在500～600℃溫成型，該溫度接近鍛件材料的回火溫度，因此，控制稍有不當(dāng)，就可能惡化試板材料的力學(xué)性能。而冷變形卻可以避免這方面的問題，但隨之可能產(chǎn)生裂紋、應(yīng)力集中等問題。

為全面掌握18MND5鋼筒體試板冷輾平加工性能，給用戶提供可靠的焊縫見證件試板，我們進(jìn)行了冷輾平適應(yīng)性試驗。同時對冷輾平后的筒體試板的力學(xué)性能、金屬表面硬度、落錘指標(biāo)、金相變化等進(jìn)行檢驗，并對后續(xù)能否采用熱處理時效工藝恢復(fù)材料的強度、塑性等問題進(jìn)行了試驗研究。

1 試驗

1.1 評定試驗方式

冷輾平試料取自按RCCM M2133要求進(jìn)行化學(xué)分析和力學(xué)性能試驗合格的下筒節(jié)延長段，并對評定件進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、表面硬度檢查、金相組織觀察和MT、UT。焊縫見證件截取位置見圖1。下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件取樣見圖2。

圖1 下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件截取位置圖Figure 1 The sampling position sketch for weld test piece at lower shell forging

冷輾平+恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火。評定試料取自下筒節(jié)的延長段剩余余料，冷輾平后分別在300℃、400℃、500℃、550℃、580℃、615℃溫度下恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火3 h后，進(jìn)行力學(xué)性能試驗。

1.2 評定試驗件尺寸

用于冷輾平工藝的評定件試板尺寸為：厚度(e)190 mm×寬度(w)350 mm×弧長(L)1 700 mm的弧板，內(nèi)圓半徑R內(nèi)=1 585 mm，外圓半徑R外=1 775 mm。

用于冷輾平+恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火工藝的評定件試板尺寸為：厚度(e)200 mm×寬度(w)230 mm×弧長(L)1 800 mm的弧板，內(nèi)圓半徑R內(nèi)=1 585 mm，外圓半徑R外=1 775 mm。為保證恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火工藝有效，評定試驗所用試料尺寸與冷輾平工藝的評定件試料相當(dāng)。

1.3 評定件制造

1.3.1 制造流程

下筒體制造合格→取焊縫見證件母材，標(biāo)識→31.5 MN水壓機冷輾平→評定試驗→試板UT/MT→消應(yīng)退火→精加工，標(biāo)識。

1.3.2 冷成型設(shè)備和工藝

考慮到試板尺寸較大，而18MND5材料的Rp0.2≥450 MPa，應(yīng)選用20 MN以上的壓機。為此，在31.5 MN水壓機上進(jìn)行冷成型。冷輾平最終評定坯料如圖3所示。

冷成型工藝如下：

來料形狀為環(huán)段，碾平前，記錄并核對爐、卡號，單個環(huán)段展開長度約1 400 mm(按內(nèi)弧長)。

圖2 下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件取樣圖Figure 2 The sampling position sketch for weld test piece at lower shell forging

圖3 冷輾平評定坯料尺寸圖Figure 3 The size of evaluation blank for cold flattening

常溫下在31.5 MN水壓機上對環(huán)段試料進(jìn)行碾平。

2.2 心理健康水平 干預(yù)前，兩組產(chǎn)婦SAS、SDS評分比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；干預(yù)后，兩組患者的SAS、SDS評分均低于干預(yù)前，且研究組低于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表2。

1.3.3 應(yīng)變率的計算

鑒于輾平為筒體成型的反過程，按照RCCM F4113規(guī)定，筒體類應(yīng)變率為：

(1)

式中A——應(yīng)變率；

e——成品名義厚度，單位為mm；

Rf——成型前中心線曲率半徑，單位為mm；

Ro——成型后中心線曲率半徑，單位為mm。

當(dāng)成型為平板后，Ro≈∝。

將各項代入(1)式得到，A=5.8% 。

1.3.4 模擬焊后消應(yīng)熱處理(SSRHT)

試料的模擬焊后消應(yīng)熱處理工藝為：300℃以上的升溫、降溫速率≤55℃/h；保溫溫度：615±5℃；保溫時間：16+0.5h。

2 試驗結(jié)果的檢驗與試驗

2.1 無損檢測

工件表面加工至Ra6.3 μm后按RCCM M2 113J、MC7 000、MC4 000、F4 124.4進(jìn)行超聲檢測、目視檢測和液體滲透檢測。檢測結(jié)果證明，材料狀態(tài)完好，未發(fā)現(xiàn)裂紋。說明材料的塑性高，滿足冷變形的要求。

2.2 冷輾平評定破壞性試驗

在下筒節(jié)焊縫見證件的T/4位置取試進(jìn)行力學(xué)性能試驗和化學(xué)成分分析。具體試驗項目見表1。

2.3 冷輾平評定金相檢驗

下筒節(jié)及下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件冷變形后的內(nèi)外顯微組織變化如表2所示。

2.4 冷輾平評定表面硬度檢測

2.5 恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火參數(shù)選擇性試驗

為確保冷輾平試板不產(chǎn)生裂紋，消除冷輾平后產(chǎn)生的冷作強化現(xiàn)象，達(dá)到冷輾平后試板與產(chǎn)品性能基本保持一致，進(jìn)行恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火試驗。下筒節(jié)與試板采用不同溫度消應(yīng)退火時，常溫和高溫拉伸強度對比結(jié)果見圖4，常溫和高溫拉伸塑性對比結(jié)果見圖5。

2.6 焊縫見證件輾平試板經(jīng)消應(yīng)退火+模擬焊后消應(yīng)熱處理后的檢驗

為保證冷輾平試板經(jīng)560±10℃消應(yīng)退火+試樣模擬焊后消應(yīng)熱處理后的性能與產(chǎn)品性能基本保持一致，在原輾平+消應(yīng)焊縫見證件上補充進(jìn)行了輾平+消應(yīng)+615℃×16 h模擬焊后消應(yīng)熱處理。試驗項目包括：周向室溫和350℃高溫拉伸試驗以及+20℃、-20℃、0℃沖擊試驗。下筒節(jié)及其焊縫見證件經(jīng)冷輾平+消應(yīng)退火+SSRHT后常溫和高溫拉伸強度對比結(jié)果見圖6，拉伸塑性對比結(jié)果見圖7，沖擊試驗對比結(jié)果見圖8。

3 分析

從下筒節(jié)與下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件各項化學(xué)成分(表4)看，各點成分均勻，偏差小，表明鍛件取試部位與見證件的成分均勻，鍛件冶煉、鍛造工藝合理，延長段材料與鍛件本體完全一致，從而為獲得材質(zhì)均勻的鍛件提供了內(nèi)在的條件。

表1 試驗項目表Table 1 The test items

注1：C—周向；T—橫向；L—縱向。

注2：HTMP—調(diào)質(zhì)熱處理；SSRHT—模擬焊后熱處理。

表2 顯微組織檢驗結(jié)果Table 2 The microscopic structure test results

注：HTMP—調(diào)質(zhì)熱處理；SSRHT—模擬焊后熱處理。

表3 硬度檢測結(jié)果Table 3 Hardness test results

注：HTMP-調(diào)質(zhì)熱處理。

從圖9、圖10下筒節(jié)與下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件常溫和高溫拉伸性能看，下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件經(jīng)5.8%冷變形后產(chǎn)生明顯的冷作強化和硬化，常溫拉伸強度Rp0.2由485 MPa～495 MPa上升至620 MPa，Rm由615 MPa～620 MPa上升至655 MPa，材料的塑強比由0.47上升至0.946，塑性值A(chǔ)5由25%降至19%，Z值由74%～75%降至72%。高溫強度也呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律，材料屈服強度實際值達(dá)到斷裂強度要求值區(qū)間，說明焊縫見證件由弧板輾平成平板后，材料的強度、塑性力學(xué)性能指標(biāo)發(fā)生了較大的變化。

但是材料經(jīng)模擬焊后熱處理(SSRHT)后，材料的強度、塑性力學(xué)性能指標(biāo)發(fā)生大幅度降低，達(dá)到未變形材料在SSRHT狀態(tài)的數(shù)值。說明該材料經(jīng)過615±5℃的SSRHT后，材料由于冷變形而出現(xiàn)的位錯纏結(jié)、柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)強化等產(chǎn)生了靜態(tài)恢復(fù)、再結(jié)晶，冷作強化和硬化作用逐漸消失，材料強度、塑性恢復(fù)到未變形的材料狀態(tài)。同時也說明，當(dāng)進(jìn)行產(chǎn)品焊接試板驗證時，材料在HTMP+SSRHT狀態(tài)的數(shù)值更為可靠。

從表3、圖11、圖12下筒節(jié)與下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件顯微組織、HTMP、HTMP+SSRHT態(tài)沖擊性能結(jié)果看，冷變形前后材料的沖擊韌性、顯微組織基本沒有發(fā)生變化，材料的+20℃、0℃、-20℃沖擊韌性高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于要求值。說明材料冷作強化和硬化后，只產(chǎn)生了位錯纏結(jié)、柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)強化等微觀結(jié)構(gòu)變化，并沒有改變材料的顯微組織形態(tài)，其斷裂機制與冷變形關(guān)系不大，多與材料的第二相顆粒、顯微組織有關(guān)。

下筒節(jié)及其焊縫見證件的落錘試驗結(jié)果進(jìn)一步說明，經(jīng)冷變形前后，在HTMP+SSRHT狀態(tài)，材料RTNDT略微變化，分別達(dá)到-50℃、-40℃。材料冷作強化和硬化后的斷裂機制仍然取決于材料的第二相顆粒、顯微組織。同時，高的RTNDT也說明鋼的均質(zhì)性及純凈度非常好，有足夠的韌性儲備。

下筒節(jié)與下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件晶粒度、夾雜物檢驗結(jié)果見表5。由表5可知，經(jīng)冷變形前后，材料晶粒度、夾雜物評級沒有發(fā)生改變，鍛件的晶粒度均達(dá)到6.5級以上，非金屬夾雜物的等級也小于3級，這可能與鋼的純凈度較高有關(guān)。

圖4 拉伸強度結(jié)果對比 圖5 拉伸塑性結(jié)果對比Figure 4 Comparison of tensile strength resultsFigure 5 Comparison of tensile ductility results

圖6 拉伸強度結(jié)果對比 圖7 拉伸塑性結(jié)果對比Figure 6 Comparison of tensile strength resultsFigure7 Comparison of tensile ductility results

CMnSiPSNiCrMoVCuAlAsSnSb下筒節(jié)0.1891.500.200.0050.00110.740.160.490.0020.0200.0060.0050.0020.004下筒節(jié)焊縫見證件0.1851.460.200.0050.00120.750.160.490.0020.0170.0030.0030.0020.001

注：下筒節(jié)和下筒節(jié)焊縫見證件的N含量分別為95×10-6和78×10-6；下筒節(jié)和下筒節(jié)焊縫見證件的O含量分別為17×10-6和12×10-6。

圖8 沖擊試驗結(jié)果Figure 8 Impact test results

圖9 下筒節(jié)及其焊縫見證件常溫和高溫拉伸強度結(jié)果對比Figure 9 Comparison of tensile strength results at room temperature and high temperature or lower shell and its weld test piece

圖10 下筒節(jié)及其焊縫見證件常溫和高溫拉伸塑性結(jié)果對比Figure 10 Comparison of tensile ductility results at room temperature and high temperature for lower shell and its weld test piece

圖11 下筒節(jié)及其焊縫見證件HTMP態(tài)沖擊試驗結(jié)果Figure 11 The impact test result of lower shell and its weld test piece after HTMP

圖12 下筒節(jié)及其焊縫見證件HTMP+SSRHT態(tài)沖擊試驗結(jié)果Figure 12 The impact test result of lower shell and its weld test piece after HTMP+SSRHT

試樣位置熱處理狀態(tài)晶粒度/級ABCD要求值≥5.0≤1.5≤1.5≤1.5≤1.5下筒節(jié)0°HTMP+SSRHT7.00.50.50.50.51.01.01.51.0下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件T/4HTMP+SSRHT6.50.50.50.00.50.00.50.50.5

另外，從目前大型板焊結(jié)構(gòu)核電、化工容器制造上分析：(1)筒節(jié)的制造大量采用鋼板冷卷、溫卷的制造方式，從實際效果看，在正常情況下不會出現(xiàn)開裂情況；而輾平工藝為卷板的逆過程，從無損檢測和試驗結(jié)果看，未見裂紋出現(xiàn)；(2)在充分預(yù)熱后，冷變形產(chǎn)生的材料冷作強化和硬化不會產(chǎn)生焊接裂紋，也不會改變正常的焊接工藝實施；(3)冷變形后的材料隨著焊后熱處理的進(jìn)行，材料強度、塑性恢復(fù)，不會對材料產(chǎn)生破壞。

由于該鍛件屬600 MPa等級材料，從下筒節(jié)HTMP狀態(tài)、HTMP+SSRHT狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，退火參數(shù)對其強度指標(biāo)有較大影響。焊縫見證件在容器制造廠焊接后需進(jìn)行焊后熱處理，如果冷變形后在鍛件廠實施SSRHT，勢必造成退火次數(shù)增加，增大退火參數(shù)。從有關(guān)試驗可知，這樣可能惡化材料的強度指標(biāo)，因此，鍛件廠冷變形后的SSRHT必須充分予以注意。

為滿足冷輾平后試板與產(chǎn)品性能基本保持一致，進(jìn)行了恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火試驗。從圖4、圖5冷輾平鍛件常溫和高溫拉伸性能看，消應(yīng)溫度達(dá)到400℃后，材料產(chǎn)生的冷作強化和硬化發(fā)生恢復(fù)、再結(jié)晶現(xiàn)象，常溫拉伸強度Rp0.2由610 MPa～620 MPa降至530 MPa～540 Mpa，Rm由655 MPa下降至65 0MPa～665 Mpa，材料的塑強比由0.946恢復(fù)至0.81，塑性值A(chǔ)5由19%恢復(fù)至22%～24%，Z值由72%恢復(fù)至70%～74%。高溫強度也呈現(xiàn)同樣變化規(guī)律。值得一提的是，材料0℃、-20℃沖擊韌性并不因此得以改變，即使在退火脆化區(qū)域。說明焊縫見證件由弧板輾平成平板進(jìn)行消應(yīng)后，材料的強度、塑性力學(xué)性能指標(biāo)基本恢復(fù)至產(chǎn)品性能原有狀態(tài)。

比較400～615℃的恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火性能數(shù)據(jù)可知，鋼達(dá)到550℃后強度Rp0.2由530 MPa～540 MPa降至520 MPa～525 MPa，Rm由665 MPa～650 MPa降至655 MPa～650 MPa，材料的強度基本恢復(fù)，塑性力學(xué)性能指標(biāo)也趨于同樣狀態(tài)。經(jīng)冷輾平+消應(yīng)退火+模擬焊后消應(yīng)熱處理(SSRHT)后的焊縫見證件實際件破壞性取樣試驗結(jié)果，說明選擇550～615℃的恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火可以使冷輾平后試板與產(chǎn)品性能基本保持一致。

4 結(jié)論

通過以上試驗和對比分析，我們認(rèn)為：

(1)下筒節(jié)產(chǎn)品焊縫見證件采用冷成型輾平工藝完全可行，不會對材料產(chǎn)生破壞。

(2)建議試板焊接前進(jìn)行必要的預(yù)熱。

(3)冷輾平后進(jìn)行550～615℃恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火處理，材料的強度、塑性力學(xué)性能指標(biāo)基本恢復(fù)原母材調(diào)質(zhì)性能狀態(tài)。冷輾平試板再經(jīng)試樣模擬焊后消應(yīng)熱處理(SSRHT)后，力學(xué)性能不會發(fā)生變化。因此，為確保試板具有代表性，冷輾平后，選擇550～600℃×3 h恢復(fù)母材力學(xué)性能消應(yīng)退火是可行的。