δ鐵素體對316LN不銹鋼沖擊韌性的影響

(1.上海電機學(xué)院,上海 201306;2.上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海 201306)

0 引言

目前，壓水反應(yīng)堆作為一種技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定的堆型被推廣應(yīng)用，尤其是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的華龍一號三代核反應(yīng)技術(shù)[1-2]。核電站運行過程中，一回路的高溫高壓水經(jīng)由主管道、在蒸汽發(fā)生器中與二回路的水發(fā)生熱交換[3-5]。在核電設(shè)備制造過程中，為方便蒸汽發(fā)生器接管與主管道的現(xiàn)場安裝，會在低合金接管處焊接316LN不銹鋼安全端(見圖1[6])。由于主管道也是由316LN鍛造而成，因此在安裝現(xiàn)場可實現(xiàn)同質(zhì)焊接[7]。

316LN是一種低碳、控氮型不銹鋼，具有良好的熱加工性能，但變形抗力較大，通常在800～1 200 ℃溫度范圍內(nèi)進行熱加工[8-10]。316LN安全端的鍛造工藝流程包括鐓粗、沖孔、軋制成型等，最后進行固溶處理。為提高材料的耐腐蝕性能，應(yīng)避免中高溫處理時碳化物的析出。郭躍嶺等[11]研究了鍛造和熱處理對316LN不銹鋼在溶液中的腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)鍛造、固溶處理后，316LN不銹鋼具有優(yōu)異的抗SCC敏感性；Xiong等[12]研究了低溫軋制對316LN組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著變形量的增加，316LN不銹鋼中會形成馬氏體組織；Goyal等[13]評估了316LN不銹鋼在室溫和高溫環(huán)境中的低周疲勞變形行為。

圖1 接管安全端焊接示意[6]

1 試驗方法

試驗用鋼取自蒸汽發(fā)生器出口接管的安全端模擬件，如圖2所示。該模擬件供貨態(tài)為固溶態(tài)，熱處理制度為：1 050 ℃×15 min+水冷。分別對鍛環(huán)內(nèi)外壁進行成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，該鍛件的成品成分均勻，無偏析現(xiàn)象。試驗所需樣品從上述模擬件上切取，沖擊試樣尺寸為10 mm ×10 mm ×55 mm,V形缺口深2 mm，張角45°，在RKP450 沖擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗溫度為室溫。為清晰表征試樣的微觀形貌，經(jīng)研磨拋光后的試樣利用10%鉻酸水溶液進行電化學(xué)腐蝕，腐蝕電壓、電流分別為1.2 V，22 mA/cm2。利用Axiovert 40MAT光學(xué)顯微鏡(OM)及VEGA/XMU掃描電鏡(SEM)觀察合金的微觀組織、斷口形貌，利用EDS對相成分進行分析。

圖2 316LN鍛件安全端實物圖

表1 316LN鍛件化學(xué)成分 %

2 結(jié)果及討論

2.1 試環(huán)沖擊性能

316LN試環(huán)內(nèi)外壁的沖擊性能如表2 所示。

表2 安全端鍛件不同位置的沖擊吸收能量 J

從表2可以看出，試環(huán)內(nèi)、外壁的沖擊吸收能量平均值分別為45.9,136 J。試環(huán)內(nèi)壁的沖擊吸收能量約為外壁的1/3。根據(jù)核電蒸汽發(fā)生器316LN安全端考核要求，試環(huán)的沖擊吸收能量須大于60 J，因此，該試環(huán)不能滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。

2.2 原因分析

為分析該試環(huán)內(nèi)外壁沖擊性能異常的原因，針對內(nèi)壁沖擊試樣進行斷口截面分析，結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為沖擊試樣的整個截面形貌，分為缺口區(qū)和裂紋擴展區(qū)。沖擊試樣呈脆性斷裂模式，未觀察到韌窩形貌。在裂紋擴展的路徑上可觀察到圖3(b),(c)所示的形貌，分別為裂紋擴展路徑附近的微型裂紋和孔洞。為進一步分析試樣呈脆性斷裂的原因，采用SEM+EDS對沖擊試驗試樣進行表征，結(jié)果如圖4和表3所示。圖4為沖擊斷口附近的微觀組織形貌。從圖4中可觀察到A,B兩相組織。根據(jù)EDS結(jié)果(見表3)，組織A具有較高的鐵素體穩(wěn)定元素，其中Cr,Mo元素的含量分別為26.89%,5.49%，遠高于組織B中Cr,Mo元素的含量；但組織A中Ni元素含量較低，約為4.57%。根據(jù)組織形貌、元素含量以及不銹鋼F-A(鐵素體-奧氏體)凝固模式可知，組織A為δ鐵素體，組織B為奧氏體。

圖3 316LN鍛件內(nèi)壁沖擊試樣斷口形貌

圖4 316LN鍛件微觀組織形貌

為進一步驗證316LN不銹鋼安全端試環(huán)內(nèi)壁沖擊吸收能量降低是由于δ鐵素體形成于晶間所致，分別對安全端試環(huán)內(nèi)外壁的組織形貌進行SEM表征，其結(jié)果如圖5所示。

(a)內(nèi)壁

(b)外壁

圖5 安全端試環(huán)內(nèi)外壁的SEM微觀組織形貌

由圖5(a)可以看出，安全端試環(huán)外壁由純奧氏體組織構(gòu)成，未觀察到鐵素體組織存在；其內(nèi)壁由奧氏體、δ鐵素體組成(見圖5(b))?？梢钥闯?，316LN不銹鋼鍛件內(nèi)外壁組織主要的區(qū)別是δ鐵素體的存在，δ鐵素體相較于奧氏體其變形能力較差。沖擊過程中，在剪切應(yīng)力作用下容易沿δ鐵素體與奧氏體的界面萌生裂紋并擴展，最終呈脆性斷裂。根據(jù)表1所示內(nèi)外壁處的化學(xué)成分分析結(jié)果可知，兩側(cè)的化學(xué)成分沒有明顯區(qū)別，由此可推斷試環(huán)內(nèi)壁δ鐵素體的出現(xiàn)不是由于鐵素體穩(wěn)定化元素含量較高所致。結(jié)合實際制造工藝，試環(huán)的加工主要工序包括鍛造、機加工、固溶熱處理。固溶處理的目的包括：提高成分及組織均勻性、消除加工硬化以及增強耐蝕性能等。對于不銹鋼鍛件，在整個鍛造及固溶處理過程中，由于芯部位置的升溫速率較慢，其高溫停留時間較短，導(dǎo)致δ鐵素體無法全部回溶，從而殘留于基體中。

3 結(jié)語

316LN不銹鋼安全端在鍛造、固溶熱處理過程中，由于內(nèi)外壁加熱到預(yù)定溫度的時間不一致，導(dǎo)致內(nèi)壁保溫時間較短，對應(yīng)部位的δ鐵素體無法全部回溶，殘留于奧氏體基體。沖擊試驗時，在剪應(yīng)力的作用下，應(yīng)力容易在δ鐵素體與奧氏體的界面處集中并導(dǎo)致裂紋萌生，從而產(chǎn)生脆性開裂，導(dǎo)致試環(huán)內(nèi)壁的沖擊吸收能量要低于外壁。