“華龍一號”核電核一級緊固件用SA540材料力學(xué)性能的研究

那 帥，李晶晶，曹賀

（沈陽博帥材料科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

“華龍一號”是根據(jù)最新核電經(jīng)驗(yàn)與最新安全要求，研發(fā)的先進(jìn)的百萬千瓦級別的壓水堆核電技術(shù)，華龍一號凝聚了我國建設(shè)者的智慧和心血，將核電技術(shù)在先進(jìn)性與成熟性的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡，將核電的能動與非能動的結(jié)合[1]。核一級緊固件指的是核電設(shè)備中機(jī)械配件的安全等級，在安全角度上，核一級緊固件的主要作用于核輻射最強(qiáng)的機(jī)械設(shè)備，保證機(jī)械設(shè)備在日常工作中能夠更加牢固的固定設(shè)備中的各個零件。為此研究核一級緊固件用SA540材料力學(xué)性能。國外針對SA540材料的研究起步較早，以美國為首的工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，已經(jīng)擁有較為完整的研究成果，理論基礎(chǔ)豐富。國內(nèi)研究該種材料力學(xué)性能起步較晚，但現(xiàn)今已經(jīng)得到部分研究成果，但還需不斷繼續(xù)研究學(xué)習(xí)[2]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與準(zhǔn)備

為了研究核一級緊固件用SA540材料力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)原材料選用表1所示的化學(xué)成分。成分如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分

利用表1中化學(xué)成分的原材料，采用表2的熱處理參數(shù)，制成試樣。熱處理參數(shù)如表2所示：

表2 熱處理參數(shù)

采用如上表所示的熱處理參數(shù)，處理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的原材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

將熱處理后的原材料制成直徑為40mm和 65mm的試樣，然后采用金屬拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如下圖1所示：

圖1 金屬拉伸試驗(yàn)機(jī)

拉伸實(shí)驗(yàn)前，測定SA540材料試樣的直徑和標(biāo)距，將試件安裝在實(shí)驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)段的標(biāo)記處安裝引伸儀，測量試樣件的變形[3]。運(yùn)行中的實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行緩慢加載，與實(shí)驗(yàn)機(jī)相關(guān)聯(lián)的電腦會顯示出試件拉伸變化數(shù)值，評定材料的均勻性。

準(zhǔn)備SA540材料樣品，將樣品待測試表面打磨平整，選取3個點(diǎn)測試材料的布氏硬度，使用載荷為50kg，淬火金屬球壓在試件表面，保持時間為10~15s[5]。SA540材料樣品放在樣品臺中央，順時針平穩(wěn)轉(zhuǎn)動手輪，樣品臺上升，試樣與壓頭接觸；直至手輪與螺母之間產(chǎn)生相對滑動，停止轉(zhuǎn)動手輪，壓力完全加上后開始設(shè)定保持時間倒計(jì)時，到時間后立即卸載，恢復(fù)初始狀態(tài)，完成緊固件樣品布氏硬度測試。

表3 試件力學(xué)性能值

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 力學(xué)數(shù)值分析

依照上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及處理過程，得到試樣的力學(xué)性能值，如表1所示。

由上表所示的各項(xiàng)參數(shù)可知，當(dāng)溫度條件為RT時，試棒的屈服強(qiáng)度保持在955 N/mm2左右，拉伸強(qiáng)度在1069 N/mm2左右，計(jì)算得到該核一級緊固件的延伸率在19%，斷面收縮率為61%左右，試棒硬度為342-356HB范圍，核一級SA540材料硬度的延伸率數(shù)值較小，收縮率數(shù)值較大，在實(shí)際使用過程中，在受到外力的作用下，緊固件不易變形，產(chǎn)生裂縫后容易修復(fù)，符合核一級安全等級的要求。當(dāng)溫度在+350℃時，從整體數(shù)值來看，屈服強(qiáng)度為789 N/mm2左右，拉伸強(qiáng)度為954 N/mm2，計(jì)算得到該核一級緊固件的延伸率在28%，斷面收縮率為81%左右，試棒硬度為339-351HB范圍時，屈服強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度均小于溫度條件為RT下的數(shù)值，但從延伸率與斷面收縮率來看，數(shù)值均大于溫度條件為RT的實(shí)驗(yàn)構(gòu)件。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可判定出，核一級SA540材料緊固件在安全使用等級范圍內(nèi)。

2.2 側(cè)向膨脹量測定

根據(jù)側(cè)向膨脹量的測定方法，將實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段SA540材料試件重新標(biāo)記號碼，由表2側(cè)向膨脹量數(shù)值可知，模擬SA540材料的核一級緊固件工作溫度為15℃及-12.2℃，根據(jù)側(cè)向膨脹量數(shù)值可知，實(shí)驗(yàn)構(gòu)件側(cè)向膨脹量的數(shù)值維持在數(shù)值1左右，側(cè)向膨脹量數(shù)值變化不大，在實(shí)際操作運(yùn)用過程中，能夠保持穩(wěn)定，基本符合核一級緊固件的安全要求。

3 結(jié)束語

我國核產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，對核用零件的安全等級提出了更高的要求，為此研究SA540材料硬度均勻性，能夠根據(jù)實(shí)際核工程的安全，調(diào)整材料的性能系數(shù)，保證緊固件的性能，保證核工程的安全。

表4 側(cè)向膨脹量