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核压力容器用大锻件SA508-Ⅳ钢疲劳性能的研究

代鑫  
【摘要】:核电站发电与其它发电方式相比具有安全、高效、经济和环保等特点,因此越来越受到关注。核反应堆压力容器是核电站的重要组件,它长期服役于高温、高压和中子辐照等恶劣环境下。此外,核压力容器在服役期间会遭受来自启/停堆、紧急停止和温度波动等过程带来的循环热应力影响,因此ASME规范将核压力容器在服役期间遭受的疲劳损伤做为一个安全考核标准。SA508-Ⅳ钢作为新一代核反应堆压力容器的候选材料,弥补了现役材料SA508-Ⅲ钢淬透性差和低温韧性不足的问题。大锻件SA508-Ⅳ钢的尺寸为φ2000mm× 700 mm(壁厚),远超以往核压力容器的尺寸。壁厚的增加会导致核压力容器在调质热处理时出现壁厚效应:表面由于冷速大而形成马氏体,心部由于冷速小而形成粒状贝氏体。不同显微组织会导致不同的力学性能和疲劳性能。此外,调质热处理工艺是核压力容器应用之前必不可少的热处理步骤之一,而粒状贝氏体中的M/A岛在调质热处理过程中会分解为贝氏体铁素体和细小碳化物,显微组织演化对材料的力学和疲劳性能具有决定性的影响。核压力容器的锻件属于大型锻造,混晶是锻造过程中常出现的缺陷之一。因此,本文首先利用热压缩试验研究了铸件SA508-Ⅳ钢的锻造工艺,以便获得均匀的显微组织,为后续疲劳试验做准备。主要研究内容和结论如下:(1)利用热压缩试验研究了 SA508-Ⅳ钢的锻造工艺。热压缩试验是在温度为950-1250℃,应变速率为0.001-1 s-1,真应变为0.7的条件下进行。根据热压缩实验结果计算出SA508-Ⅳ钢的激活能为328.73 KJ mol-1。根据真应力-真应变曲线建立了 SA508-Ⅳ钢的本构方程和动态再结晶方程。根据流动应力-应变数据绘制出SA508-Ⅳ钢的热加工图。通过热加工图和显微组织的分析确定出SA508-Ⅳ钢的最优锻造工艺:温度为1050-1175℃,应变速率为0.01-0.1 s-1,在此区间锻造出的晶粒均匀细小,晶粒尺寸为18-62 μm。(2)分别研究了具有马氏体和粒状贝氏体显微组织的SA508-Ⅳ钢力学性能和疲劳性能。力学实验结果表明:马氏体SA508-Ⅳ钢的抗拉强度和冲击韧性分别为830 MPa和158 J,粒状贝氏体SA508-Ⅳ钢的抗拉强度和冲击韧性分别为811 MPa和115 J。马氏体SA508-Ⅳ钢比粒状贝氏体SA508-Ⅳ钢具有更好的抗拉强度和冲击韧性,马氏体冲击断口表现为韧窝断裂,而粒状贝氏体则表现为脆性断裂。疲劳实验结果表明:在应变幅±0.45%的条件下,马氏体SA508-Ⅳ钢的疲劳寿命为2717周次,粒状贝氏体SA508-Ⅳ钢的疲劳寿命为1545周次,马氏体材料的疲劳寿命高于粒状贝氏体。马氏体材料具有比粒状贝氏体更少的裂纹萌生点、更窄的疲劳条带间距和更多的大角度晶界体积分数。更少的裂纹萌生点意味着更少的疲劳裂纹,更窄的疲劳条带间距意味着更慢的裂纹扩展速率,更多的大角度晶界体积分数则可以更有效的阻碍疲劳裂纹扩展,这些原因导致了马氏体SA508-Ⅳ钢具有更高的疲劳寿命。(3)研究了回火温度对粒状贝氏体SA508-Ⅳ钢显微组织演化的影响以及显微组织演化对其力学性能和疲劳性能的影响。粒状贝氏体试样分别在595℃、620℃、630℃、640℃和675℃回火15 h进行调质热处理。实验验结果表明当回火温度为595℃时,强化相M/A岛发生分解。回火温度升高到630℃时,更多的强化相M/A岛发生分解,导致软化相贝氏体铁素体基体增多,M/A周围应力集中被释放,裂纹萌生形核点减少,材料的抗拉强度从781 MPa降低到738 MPa,韧性由112 J增加到126 J,在应变幅为±0.45%的条件下,疲劳寿命从2145周次增加到2853周次。回火温度升高到675℃时,达到了 SA508-Ⅳ钢的AC1温度,回火后的显微组织为马氏体、铁素体加少量未溶的碳化物,马氏体结构提供强度,材料的抗拉强度增加到863 MPa;裂纹萌生在铁素体相内和马氏体与铁素体相界处,裂纹萌生形核点增多,材料的韧性降低到57 J,疲劳寿命降低到1509周次。(4)研究了回火时间对粒状贝氏体中M/A岛分解的影响以及M/A岛分解和分解产物对其力学性能和疲劳性能的影响。粒状贝氏体试样在630℃分别回火保温30 min、2 h、5 h、15 h和45 h进行调质热处理。在回火30 min时,晶界处的M/A岛优先发生分解,材料的抗拉强度为906MPa,冲击韧性为75 J,在应变幅为±0.45%的条件下,疲劳寿命为1257周次。随着回火保温时间的延长,更多的强化相M/A岛分解为贝氏体铁素体基体和细小的碳化物,应力集中被释放,裂纹萌生形核点减少,裂纹扩展速率降低,导致材料的韧性和疲劳寿命增加;软化相贝氏体铁素体基体增多,导致材料的抗拉强度降低。当回火时间增加到45h时,M/A岛完全分解为贝氏体铁素基体和细小的M3C型碳化物,裂纹萌生形核点最少,裂纹扩展速率最慢,材料的抗拉强度降低到675 MPa,韧性增加到156 J,疲劳寿命增加到2205周次,疲劳性能最好。


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