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摘要:通過觀察分析沖擊試樣的斷口和金相組織，認(rèn)為核電壓力容器封頭鍛件低溫沖擊性能不合格的主要原因是成分偏析，成分偏析導(dǎo)致淬透性差異，使性能熱處理后出現(xiàn)組織不均勻，最終導(dǎo)致低溫沖擊性能不合格。

關(guān)鍵詞:核電壓力容器;封頭;低溫沖擊

封頭鍛件是核電壓力容器的主要鍛件，其性能熱處理為調(diào)質(zhì)。力學(xué)性能驗(yàn)收項(xiàng)目主要包括拉伸、沖擊和落錘試驗(yàn)。我公司在承制某項(xiàng)目封頭鍛件時(shí)，封頭經(jīng)調(diào)質(zhì)后低溫沖擊性能有一單個(gè)值低于技術(shù)條件要求，為此進(jìn)行了返修熱處理。考慮拉伸強(qiáng)度有富裕量，將回火溫度提高至上限，其它參數(shù)不變，結(jié)果低溫沖擊性能仍不合格。為研究沖擊不合格的原因，將沖擊試樣進(jìn)行了斷口觀察及金相檢驗(yàn)。

1封頭簡(jiǎn)介

1．1調(diào)質(zhì)形狀及取樣位置

封頭材質(zhì)為16MnD5，對(duì)應(yīng)我國牌號(hào)19MnNiMo，為低碳低合金鋼，性能熱處理時(shí)其形狀為內(nèi)徑約2m、壁厚250mm、高約1．5m的球形封頭，根據(jù)技術(shù)條件要求，取樣位置在封頭開口端距內(nèi)側(cè)1/4壁厚處，距淬火端部1個(gè)壁厚。

1．2熱處理及沖擊性能

封頭的調(diào)質(zhì)工藝:880～900℃保溫6h，冷卻方式為水冷，640～665℃回火保溫12h。返修工藝將回火溫度提高至上限，仍在回火溫度范圍，時(shí)間參數(shù)未變。調(diào)質(zhì)后封頭室溫拉伸強(qiáng)度597～601MPa(要求≥550MPa)，返修后室溫拉伸強(qiáng)度583～591MPa，強(qiáng)度有所降低。經(jīng)分析，鍛件的成品化學(xué)分析及晶粒度、夾雜物檢測(cè)均正常。

2斷口及金相分析

為分析沖擊不合格的原因，選取沖擊值分別為137J、27J、83J、25J(試樣編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#，其中1#、3#為合格樣，2#、4#為不合格樣)的4個(gè)沖擊試樣做掃描電鏡斷口分析，并對(duì)3#和4#沖擊試樣做了金相檢查。

2．1斷口分析

4個(gè)沖擊試樣的掃描電鏡斷口形貌。可以看出，1#試樣發(fā)生了明顯的塑性變形，斷口由明顯的韌性區(qū)和放射區(qū)(解理斷口)構(gòu)成，韌性區(qū)為韌窩斷口構(gòu)成，韌窩大小、分布較均勻，這與其高的沖擊功相對(duì)應(yīng);2#試樣宏觀斷口基本未變形，斷口較平整，斷口大部分為放射區(qū)，僅有少量的韌性剪切唇，高倍斷口顯示放射區(qū)存在明顯的河流狀花樣，為典型的穿晶解理斷口，這與該試樣低的沖擊功相對(duì)應(yīng);3#試樣低倍斷口同1#試樣相近，斷口發(fā)生了變形，但韌性區(qū)占斷口百分比較1#試樣小，顯微照片表明韌性區(qū)由大小不一的韌窩構(gòu)成;4#試樣的斷口照片與2#試樣的斷口相近，基本為解理斷口，韌性較差。

2．2金相分析

3#試樣的顯微組織照片。可以看出，低倍無偏析，組織為回火貝氏體，主要為羽毛狀上貝氏體，同時(shí)有少量粒狀貝氏體存在，為正常的調(diào)質(zhì)組織。為4#試樣的顯微組織照片。從圖3(a)可見，組織存在明顯的偏析，白色區(qū)為負(fù)偏析區(qū)，黑色區(qū)為正偏析區(qū)，正偏析區(qū)寬度約為200～400μm，這與參考文獻(xiàn)［1］中報(bào)道的相一致。負(fù)偏析區(qū)淬透性較差，主要為上貝氏體、部分粗大貝氏體組織和少量粒狀貝氏體，不同組織的出現(xiàn)表明組織形成溫度不同。正偏析區(qū)由于合金元素含量較高，其淬透性較好，組織為回火索氏體和上貝氏體組織。核電封頭采用大型鋼錠鍛造成型，內(nèi)部不可避免地會(huì)出現(xiàn)化學(xué)成分偏析，這種偏析將導(dǎo)致淬火后組織的不均勻性。組織不均勻性是由成分偏析引起的各處淬透性不同造成的，有研究認(rèn)為合金元素Mn、Mo、Ni的偏析是引起淬火組織差異的主要原因［1］，尤其是Mn和Mo在正偏析區(qū)的聚集，提高了正偏析區(qū)的淬透性。盡管返修時(shí)回火溫度已經(jīng)提高至上限，但返修熱處理對(duì)低溫韌性改善不大，只有改善成分偏析才可能較好地改善材料低溫韌性及提高其它力學(xué)性能均勻性。目前，改善核電大型鍛件成分偏析的主要方法是在鍛造時(shí)進(jìn)行完善的高溫?cái)U(kuò)散退火工藝。

3結(jié)論

利用掃描電鏡分析了封頭低溫沖擊性能不合格的原因，并提出了改進(jìn)建議:(1)封頭存在成分偏析是造成低溫韌性不合格的根本原因。(2)低溫韌性合格試樣的組織主要為上貝氏體及少量粒狀貝氏體，而不合格試樣存在組織偏析，負(fù)偏析區(qū)組織為上貝氏體、部分粗大貝氏體組織和少量粒狀貝氏體，正偏析區(qū)組織主要為回火索氏體和上貝氏體。(3)改善成分偏析的主要方法是進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火。

參考文獻(xiàn)

［1］韓利戰(zhàn)，顧劍鋒，潘健生，等．核電大型鍛件SA508Gr．3鋼金相圖譜［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，2016:206－208.

作者:連占衛(wèi) 周楊 李家駒 單位:天津重型裝備工程研究有限公司