固溶熱處理后小變形量校形對316LN奧氏體不銹鋼性能的影響

陳紅宇 鄭建能 楊麗冬

(二重(德陽)重型裝備有限公司，國家能源極端裝備虛擬制造重點實驗室，四川618013)

316LN不銹鋼屬于超低碳含氮Cr-Ni-Mo奧氏體不銹鋼，該材料在強度、塑性、韌性、抗腐蝕能力(晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕)、抗老化能力、抗輻照脆化能力等方面具有明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)取代321不銹鋼和304不銹鋼，成為第三代壓水堆核電站鍛造主管道的主流用材[1]，包括AP1000、CAP1400、中核華龍一號、中廣核華龍一號主管道和穩(wěn)壓器波動管均采用該類型材料[2-3]。316LN不銹鋼的使用狀態(tài)為固溶熱處理態(tài)，設(shè)備制造完工后，在安裝現(xiàn)場與同材質(zhì)的產(chǎn)品或安全端進行拘束狀態(tài)下的組焊，焊接后不進行焊后消應(yīng)熱處理。隨著核電安全性和發(fā)電功率的提高，主管道和波動管向大型化、整鍛化方向發(fā)展，尺寸精度要求越來越高，設(shè)備制造和安裝難度越來越大。

本文采用物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)合的方式研究了小變形量校形對固溶態(tài)316LN奧氏體不銹鋼性能影響，為316LN不銹鋼管道的設(shè)計、制造、安裝和壽命評估提供參考。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

物理模擬選取AP1000波動管固溶熱處理并且性能檢驗合格的端部余料，內(nèi)外表面采用相同的方式進行加工，保證不同位置的表面應(yīng)力狀態(tài)相同。試驗材料切分為A、B-1、B-2、C-1、C-2共5件試環(huán)，每件試環(huán)高度106 mm(大于AP1000波動管名義壁厚的2倍)。

1.2 試驗方法

小變形校形物理試驗在室溫狀態(tài)下進行，通過上下弧形墊塊對管道實施變形，弧形墊塊與管道接觸面墊一層0.5 mm厚不銹鋼帶，見圖1?；⌒螇|塊寬度50 mm，校形時墊塊中心和試環(huán)中心對齊。校形過程以長軸的變化量進行控制，試環(huán)A作為對比試環(huán)不實施變形，試環(huán)B-1、試環(huán)B-2變形并回彈后長軸增大5 mm，試環(huán)C-1、試環(huán)C-2變形并回彈后長軸增大10 mm，試環(huán)B-2、試環(huán)C-2校形后進行400℃消應(yīng)熱處理。

根據(jù)校形物理試驗方案，建立小變形量數(shù)值模擬模型，計算時材料模型采用室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，校形過程考慮了一定的保壓和卸壓過程。

圖1 小變形量校形試環(huán)Figure 1 Test ring for small deformation adjustment

(a)等效應(yīng)力(b)長軸變形量圖2 長軸變形量5.0 mm的校形模擬結(jié)果Figure 2 The simulation result of adjustment when the deformation of the long axis is 5.0 mm

(a)等效應(yīng)力(b)長軸變形量圖3 長軸變形量10.0 mm的校形模擬結(jié)果Figure 3 The simulation result of adjustment when the deformation of the long axis is 10.0 mm

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 數(shù)值模擬試驗結(jié)果

變形后長軸增加5.0 mm的數(shù)值模擬結(jié)果見圖2，長軸校形變形量5.02 mm，校形過程回彈量約2.65 mm。變形后長軸增加10.0 mm的數(shù)值模擬結(jié)果見圖3，長軸校形變形量10.08 mm，校形回彈量約2.71 mm。從圖2和圖3可以看出，經(jīng)過小變形校形后的試環(huán)主要變形區(qū)域在上下(90°和270°)和左右(0°和180°)，在解剖試驗時，應(yīng)重點檢驗0°、90°、180°和270°位置的性能。

2.1.2 物理試驗結(jié)果

試環(huán)B-1、試環(huán)B-2校形后長軸增大5 mm，試環(huán)C-1、試環(huán)C-2校形后長軸增大10 mm，其中試環(huán)B-2、試環(huán)C-2經(jīng)400℃消應(yīng)熱處理后，試環(huán)表面呈金黃色光澤。之后對5個試環(huán)進行解剖檢驗，解剖后的檢驗項目包括室溫拉伸、350℃高溫拉伸、晶間腐蝕、HRB硬度、顯微組織、表面硬化層等，其中室溫拉伸試樣T1、T2位于90°和180°位置，350℃高溫拉伸試樣TH1、TH2位于270°和0°位置，室溫拉伸和350℃高溫拉伸試驗結(jié)果見表1和表2，其余理化性能包括晶間腐蝕、HRB硬度、顯微組織、表面硬化層在校形前后均滿足設(shè)計要求。

表1 室溫拉伸試驗結(jié)果Table 1 Results of tensile test at room temperature

表2 350℃高溫拉伸試驗結(jié)果Table 2 Results of high temperature tensile test at 350℃

3.2 討論

3.2.1 相關(guān)標準對奧氏體不銹鋼固溶熱處理后變形量的要求

奧氏體不銹鋼通過固溶熱處理使析出的碳化物固溶到基體，同時降低宏觀殘余應(yīng)力和微觀殘余應(yīng)力，從而提高耐腐蝕性能。奧氏體不銹鋼固溶熱處理后冷變形會使強度升高、塑性和耐腐蝕性下降。為保證奧氏體不銹鋼的力學性能和耐腐蝕性能，相關(guān)標準對固溶熱處理之后的冷變形均進行了規(guī)定，也就是說，固溶熱處理后的冷變形是允許的，但應(yīng)滿足冷變形的相關(guān)要求。目前國內(nèi)外主要標準對奧氏體不銹鋼固溶熱處理后冷變形要求如下：

(1)ASME標準對固溶熱處理后成形的相關(guān)要求

NB-4652彎曲或成形后免做熱處理的情況：除設(shè)計規(guī)格書要求彎曲或成形后進行熱處理外，經(jīng)過冷彎或冷成形的奧氏體不銹鋼管道、泵閥的部件可以在冷成形后使用。

(2)RCC-M(2007版)對固溶熱處理后成形的相關(guān)要求

F4121評定的目的和要求做評定的情況：評定的目的是用一個試件對所采用的主要因素驗證成形工藝能滿足所要求的質(zhì)量標準，下列情況需要進行成形工藝評定：

a)在高于150℃溫度下進行的任何一項或一系列操作。

b)在低于(或等于)150℃的溫度下進行的操作，當按F4113中給出的各種形式部件的公式進行計算，合金鋼或碳鋼工件最大延伸率超過5%、奧氏體不銹鋼工件最大延伸率超過10%或15%而具有支持性文件時。

(3)GB/T 150壓力容器(2011版)對固溶熱處理后成形的相關(guān)要求

GB/T 150.4壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收8.1節(jié)：奧氏體不銹鋼冷成形受壓工件最大變形率超過10%(設(shè)計溫度低于-100℃，或高于675℃時)或15%，成形后要進行恢復(fù)材料性能的熱處理。

3.2.2 主管道和波動管服役時殘余應(yīng)力的主要來源

應(yīng)力腐蝕開裂是主管道和波動管服役時主要的失效形式，主管道和波動管服役時殘余應(yīng)力來源主要包括焊接殘余應(yīng)力和固溶熱處理快冷產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。主管道和穩(wěn)壓器波動管在現(xiàn)場安裝時處于約束狀態(tài)，采用多層多道焊接，已完成焊道對后續(xù)焊道的冷卻收縮起到限制作用，導致應(yīng)力無法釋放，焊接完成后在焊縫金屬及附近母材積累較大的殘余應(yīng)力。根據(jù)谷雨、余燕、左波等人的研究成果[4]，AP1000主管道在無拘束狀態(tài)時，外表面的最高殘余應(yīng)力出現(xiàn)在熔合線附近熱影響區(qū)，軸向殘余應(yīng)力約245 MPa，實際產(chǎn)品焊接時，殘余應(yīng)力應(yīng)遠大于該應(yīng)力值而且應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜。對于316LN不銹鋼固溶熱處理后的殘余應(yīng)力，目前尚沒有相關(guān)報告，從工程數(shù)據(jù)來看，隨著主管道和波動管尺寸的增大和冷卻強度的提高，提高冷速后明顯能夠提高材料的屈服強度而抗拉強度基本不變，因此，固溶熱處理時的快冷增大工件的殘余應(yīng)力，冷速越快，冷卻后殘余應(yīng)力越大。

3.2.3 小變形量校形對316LN不銹鋼性能影響的分析

固溶熱處理后小變形量校形對316LN奧氏體不銹鋼性能影響的實質(zhì)是冷變形后產(chǎn)生加工硬化，表現(xiàn)為強度和硬度的提高、塑性的降低。從表1和表2可以看出，實施小變量校形后屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率和未變形時幾乎相同，校形后HRB硬度較校形前提高約3HRB；校形后400℃消應(yīng)熱處理對室溫、高溫拉伸性能和硬度影響很小，校形前后硬度均滿足≤92HRB的要求，以上表明校形后試環(huán)產(chǎn)生加工硬化，但硬化的程度較小。圖3是校形前后金相組織和表面硬化層金相照片，從組織上來看，變形后沒有發(fā)現(xiàn)冷作硬化層，也沒有出現(xiàn)明顯的晶粒拉長，沒有發(fā)現(xiàn)第二相析出。

圖3 金相組織Figure 3 Metallographic structure

奧氏體不銹鋼冷加工變形時，可能誘發(fā)馬氏體相變，增大材料的脆性、降低塑性。對于室溫狀態(tài)下的冷變形，可根據(jù)Ni當量判斷是否產(chǎn)生馬氏體組織，Ni當量計算公式如下[5]：

wNi=Ni+0.65Cr+0.98Mo+1.05Mn+0.35Si+12.6C+0.03(T-300)-2.3lg[100/(100-R)]-2.9

式中，T為溫度(K)，R為變形量(%)，w為質(zhì)量分數(shù)(%)

一般情況下，鎳當量在25.5%～26.0%時，常溫下變形不會誘導馬氏體相變，當鎳當量在20.5%～25.5%之間時，室溫下變形可能誘發(fā)馬氏體相變，鎳當量愈低馬氏體含量則愈多。利用以上公式計算316LN不銹鋼鎳當量在25.0%～26.0%之間，說明316LN不銹鋼室溫變形特別是小變形時產(chǎn)生馬氏體的幾率很小。

固溶熱處理后的小變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力、固溶熱處理快冷產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相同，如果小變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力小于焊接殘余應(yīng)力和固溶熱處理快冷產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對產(chǎn)品的使用性能不會產(chǎn)生影響?？紤]到實際工件形狀復(fù)雜，實際變形量難以準確測量，采用數(shù)值模擬進行應(yīng)力狀態(tài)評估也是有效的辦法，采用數(shù)值模擬進行變形計算，采用物理模擬等變形試驗，能夠為實物性能評估提供可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)通過控制校形變形量，固溶態(tài)316LN不銹鋼校形前后各項理化性能均能滿足設(shè)計要求；小變形量校形后400℃消應(yīng)熱處理對室溫、高溫拉伸性能和硬度影響很小。

(2)采用數(shù)值模擬進行變形計算，采用物理模擬進行等變形試驗，是評估316LN不銹鋼復(fù)雜工件校形后理化性能的可行方法。