508鋼高溫力學(xué)性能的研究

王艷艷 魏 凱 陳戰(zhàn)鋒 羅年高

(安鋼集團(tuán)冷軋有限責(zé)任公司)

0 引言

508 鋼是國(guó)際上核一級(jí)壓力容器常用的材料，是應(yīng)用于核電站設(shè)備特別是反應(yīng)堆壓力容器的不可缺少的材料，是首選用鋼。508 鋼由于強(qiáng)度適中、塑韌性良好、可鍛性和可焊性優(yōu)良、中子輻照敏感性低，在核電建設(shè)中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，作為核電站壓力容器、穩(wěn)壓器和蒸發(fā)器鍛件用鋼，已得到廣泛而成功的應(yīng)用。

本試驗(yàn)選擇不同的溫度對(duì)508 鋼試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以便于了解508 鋼不同溫度下的屈服極限、抗拉極限的變化趨勢(shì)。同時(shí)通過(guò)應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析508 鋼的變形過(guò)程，本試驗(yàn)結(jié)果可以應(yīng)用于今后實(shí)驗(yàn)研究中有限元模型的建立，為508 鋼應(yīng)用于不同的高溫工作環(huán)境提供理論依據(jù)，制定合理的工藝。這對(duì)于508 鋼制造核電站設(shè)備具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，體現(xiàn)508 鋼較其它合金鋼的優(yōu)越性。

508 鋼是由16Mn 鋼經(jīng)過(guò)添加合金元素改進(jìn)而成。本次試驗(yàn)試樣的化學(xué)成分［1］見表1。

1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)在Gleeble1500D 試驗(yàn)機(jī)上采用凝固法［2］對(duì)508 鋼進(jìn)行高溫力學(xué)性能研究，將508 鋼試樣加熱到熔化點(diǎn)附近，保溫后冷卻到規(guī)定的拉伸溫度，最后以恒定的拉伸速率拉伸變形，測(cè)定了508 鋼在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。試樣在拉伸機(jī)的真空拉伸裝置內(nèi)固定，抽真空后，以10 ℃/s 的速度加熱至1300 ℃，保溫3 min，使試樣化學(xué)成分和溫度均勻，促進(jìn)析出物的溶解，然后以3 ℃/s 的速度分別降低到測(cè)定溫度，依次為1200 ℃、1100 ℃、1000 ℃、900 ℃、800 ℃，再保持2 min 后以3 ℃/s ～10℃/s 的速度開始拉伸直到拉斷。斷裂瞬間Gleeble －1500D 自動(dòng)噴水冷卻試樣，拉伸工藝如圖1 所示。

Gleeble1500D 試驗(yàn)機(jī)拉伸在抽真空氣氛中進(jìn)行。在真空氣氛保護(hù)作用下，抗拉強(qiáng)度值具有較好的重復(fù)性［3］。

表1 508 鋼的化學(xué)成分

圖1 試樣熱加工工藝曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

2．1 508 鋼的塑性研究

分別從延伸率δ 和斷面收縮率ψ 兩個(gè)指標(biāo)，分別研究分析了508 鋼在不同溫度下塑性，及其塑性的變化趨勢(shì)。

2．1．1 延伸率

為了測(cè)量試樣的延伸率δ，多次測(cè)量試樣拉伸前后的標(biāo)距l(xiāng)0、l 值，并取其平均值(見表2)，計(jì)算得到508 鋼的延伸率δ。

表2 不同溫度下拉伸試樣拉伸前后的標(biāo)距值及延伸率

延伸率隨拉伸溫度的變化趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 延伸率與溫度的關(guān)系

從圖2 可以看出，800 ℃～1000 ℃延伸率呈上升趨勢(shì)，800 ℃～900 ℃之間上升比較緩慢，而900 ℃～1000 ℃溫度段延伸率急劇上升，1000 ℃時(shí)達(dá)到峰值，越過(guò)這個(gè)峰值后，延伸率開始急劇下降。

2．1．2 斷面收縮率

本試驗(yàn)試樣為圓柱形斷面，可根據(jù)下面公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:d0—試樣初始直徑，mm;

d—試樣斷口處直徑，mm。

不同溫度下拉伸試樣拉伸前后的直徑及斷面收縮率計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下拉伸試樣拉伸前后的直徑及斷面收縮率

試樣斷面收縮率與溫度之間的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 斷面收縮率與溫度的關(guān)系

從圖3 可以看出，試樣的斷面收縮率從800 ℃到1000 ℃呈明顯上升趨勢(shì)，到1000 ℃達(dá)到最大值，1100 ℃略有下降，1200 ℃到1300 ℃開始急劇下降。

從圖2、圖3 可以看出，兩條曲線總體變化趨勢(shì)大致是相同的，均在1000 ℃達(dá)到峰值，800 ℃到1000 ℃溫度段呈上升趨勢(shì)，1000 ℃到1300 ℃溫度段呈下降趨勢(shì)，這表明508 鋼的斷面收縮率、延伸率隨溫度的變化有很大相似之處。因此，508 鋼在1000 ℃左右的力學(xué)性能最佳，有著良好的塑韌性。但是，兩條曲線存在一定的細(xì)微變化，說(shuō)明斷口熔化對(duì)斷面收縮率的測(cè)量是有一定影響的，但并沒(méi)有改變總體趨勢(shì)。

2．2 拉伸曲線的研究

采用Gleeble －1500D 熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行508鋼在800 ℃～1300 ℃的塑性測(cè)試，結(jié)果如圖4、圖5所示(即508 鋼的應(yīng)力－ 應(yīng)變曲線、力－ 變形曲線)。

圖4 508 鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

從圖4、圖5 可以看出，508 鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線、力－變形曲線具有相似曲線規(guī)律，即隨加載力的增加試樣開始發(fā)生變形，達(dá)到屈服極限、強(qiáng)度極限，變形逐漸增大發(fā)生頸項(xiàng)收縮、斷裂。統(tǒng)計(jì)分析不同溫度下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，見表4。

不同溫度下508 鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖6 所示。

從圖6 可以看出，800 ℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度最大，值為78．81 MPa。隨拉伸溫度的升高508 鋼的抗拉強(qiáng)度不斷降低，800 ℃～900 ℃溫度段內(nèi)抗拉強(qiáng)度急劇下降，而屈服強(qiáng)度略有上升。900 ℃～1000 ℃內(nèi)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度各自變化較小。在1000 ℃～1300 ℃溫度段內(nèi)抗拉強(qiáng)度急劇下降，1300 ℃的抗拉強(qiáng)度值最小，為17．73 MPa。對(duì)于屈服極限，存在兩個(gè)拐點(diǎn)，800 ℃～900 ℃溫度段內(nèi)屈服極限略有上升，900 ℃～1000 ℃溫度段內(nèi)屈服極限變化較小，1000 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值24． 52 MPa。1000 ℃～1300 ℃溫度段內(nèi)屈服強(qiáng)度降低速度略有增加，1300 ℃達(dá)最小值12．17 MPa。

2．3 組織結(jié)構(gòu)分析

本試驗(yàn)對(duì)800 ℃、900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃拉斷的試樣，分別經(jīng)過(guò)砂紙磨細(xì)，機(jī)械拋光，化學(xué)腐蝕。在EISS 蔡司金相顯微鏡下觀察金相組織如圖7 所示。

圖5 508 鋼的力—變形曲線

表4 不同溫度下508 鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

圖7 不同溫度下試樣的金相組織照片

從圖7(a)可以看出，800 ℃的組織含有極少量的鐵素體和大量的板條狀馬氏體。根據(jù)焊接CCT得到508 鋼的Ac3的溫度是816 ℃。因此，在800 ℃下拉斷時(shí)發(fā)生奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，在噴水冷卻過(guò)程中保留下了鐵素體組織，圖中較亮的為鐵素體，其余的過(guò)冷奧氏體在噴水冷卻下得到板條狀馬氏體組織。從圖7(b)、(c)、(d)、(e)、(f)五個(gè)溫度水平拉斷試樣的金相照片中看出，其組織全部為板條馬氏體。這是因?yàn)榈吞蓟虻秃辖痄摬捎脧?qiáng)烈淬火可得到全部板條馬氏體。試樣拉斷后均為噴水冷卻，冷卻速度較大，而508 鋼又屬于低碳低合金鋼，含碳量較低，較容易 得到板條狀馬氏體，區(qū)別在于馬氏體的板條束大小不同。從圖中觀察，800 ℃、900 ℃板條較粗大，1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃板條相對(duì)細(xì)小，1300 ℃的又變粗大了。造成這種現(xiàn)象的原因與拉伸溫度有關(guān)，在800 ℃、900 ℃拉斷時(shí)，奧氏體化不均勻，過(guò)冷奧氏體不穩(wěn)定，冷卻下來(lái)得到的馬氏體板條狀較粗大。隨著拉斷溫度的升高奧氏體化充分，過(guò)冷奧氏體也較為穩(wěn)定，1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃的板條狀相對(duì)細(xì)小。1300 ℃時(shí)，冷卻后組織結(jié)構(gòu)主要有粗大的板條狀馬氏體組成。由于此時(shí)溫度較高，508 鋼開始發(fā)生相變，即由奧氏體固相向液相轉(zhuǎn)變，試驗(yàn)中轉(zhuǎn)變時(shí)間較短(3 min)，同時(shí)在合金元素Mn、Ni 等的共同作用下，合金元素在奧氏體中發(fā)生熔合。噴水冷卻導(dǎo)致過(guò)冷奧氏體不穩(wěn)定，從而得到粗大的板條狀馬氏體。

4 結(jié)論

(1)508 鋼的抗拉強(qiáng)度隨拉伸溫度的升高總體趨勢(shì)不斷下降，800 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度最高，值為78．8 MPa。屈服強(qiáng)度在800 ℃～900 ℃范圍內(nèi)隨溫度升高而略有升高，高于900 ℃屈服強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

(2)508 鋼的斷面收縮率與延伸率，兩者均隨溫度的升高，先升高再急劇下降，1000 ℃時(shí)達(dá)到最大。

通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出，與其他溫度相比，508 鋼在1000 ℃時(shí)塑性最好，強(qiáng)度相比較好。從金相圖片中也可看出，1000 ℃時(shí)得到的組織為板條狀馬氏體，而且與其他溫度相比，馬氏體板條相對(duì)較小，有利于強(qiáng)度和塑性的提升。因此，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)和金相試驗(yàn)可得出一致結(jié)果，在高溫狀態(tài)下，508 鋼在1000 ℃時(shí)具有最佳的綜合機(jī)械性能。

［1］包章根，陸斌，史巨元．國(guó)產(chǎn)508 －Ⅲ鋼低周疲勞和動(dòng)態(tài)韌度試樣研究［J］．核動(dòng)力工程，1999，20(3):244 －247．

［2］康向東，邸洪雙，張曉明． 低碳鋼的高溫力學(xué)性能［J］． 材料與冶金學(xué)報(bào)，2003，2(1):59 －62．

［3］呂方，李潔，王佩云．高真空狀態(tài)和氬氣保護(hù)狀態(tài)下高溫拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)比對(duì)［J］．真空電子技術(shù)，2005，(3):38 －40．