羅 強(qiáng)，陳 勇，周 軍，何 琨，任黎平

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，成都610041）

0 引 言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能、力學(xué)性能、加工性能和焊接性能，廣泛用作壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件材料，其組織主要為奧氏體相。為了避免奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中于熔合區(qū)產(chǎn)生熱裂紋，室溫下其焊縫組織中會(huì)存在5%～12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鐵素體。早期的研究表明，鐵素體不銹鋼長(zhǎng)期在核電站運(yùn)行溫度（280～325℃）下的服役過(guò)程中，鐵素體相會(huì)Spinodal分解成富含鐵的α相和富含鉻的α′相，導(dǎo)致其斷裂韌性嚴(yán)重下降［1-4］。國(guó)內(nèi)外已對(duì)壓水堆鑄造奧氏體不銹鋼（CASS）主管道熱老化問(wèn)題進(jìn)行了深入研究［5-6］，結(jié)果表明，CASS在核電站運(yùn)行溫度下的長(zhǎng)期服役過(guò)程中，鐵素體相極易發(fā)生熱老化脆化，導(dǎo)致材料的韌性降低、硬度增大；在低溫老化時(shí)鐵素體中會(huì)發(fā)生沉淀相析出，在更高的溫度下，G相將在鐵素體中析出，富鉻的 M23C6沉淀相將在奧氏體和鐵素體界面上析出。目前，國(guó)外已對(duì)壓水堆核電站CASS的熱老化性能和機(jī)理開展了大量研究，在很大程度上指導(dǎo)了現(xiàn)役核電站主管道的熱老化管理，降低了熱老化脆化造成的風(fēng)險(xiǎn)。但到目前為止，國(guó)內(nèi)很少有人關(guān)注堆內(nèi)構(gòu)件用奧氏體不銹鋼焊縫的低溫?zé)崂匣嗷袨?，也未見關(guān)于奧氏體不銹鋼焊縫在核電站運(yùn)行溫度下長(zhǎng)期服役過(guò)程中的微觀組織和力學(xué)性能變化的相關(guān)報(bào)道。另外，由于實(shí)際服役條件下不銹鋼焊縫的熱老化速度很緩慢，因此開展服役溫度下的熱老化研究存在很大困難，加之溫度低于400℃的熱老化機(jī)理與服役溫度（320℃）下的熱老化機(jī)理相同［7-8］。因此，作者擬開展304不銹鋼焊縫在325，365，400℃下的加速熱老化試驗(yàn)，研究其熱老化不同時(shí)間后的組織和性能，希望為壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的熱老化性能評(píng)價(jià)和熱老化管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司生產(chǎn)的壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件材料304奧氏體不銹鋼，焊絲材料和焊接方式均與實(shí)際堆內(nèi)構(gòu)件的相同。焊接形式為板材對(duì)接焊，板材厚度為40mm，坡口形式為V型，焊絲為φ1.2mm的308L不銹鋼，焊接工藝為熱絲TIG（鎢極氬弧焊）自動(dòng)焊，焊接速度和電壓分別為140mm·min-1和11V。304不銹鋼和308L焊絲的化學(xué)成分見表1，304不銹鋼的室溫拉伸性能如表2所示。

如圖1所示截取70mm×40mm×20mm的試樣（焊縫位于試樣中心）進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，將其置于KSL-1200-M型箱式熱老化爐中，分別升溫至325，365，400℃，升溫速率為10℃·min-1，熱老化時(shí)間分別為0，1 000，3 000，6 000h，冷卻方式空冷。

表1 304奧氏體不銹鋼和308L焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 304 austenitic stainless steel and 308Lfiller wire（mass） %

表2 304奧氏體不銹鋼的室溫拉伸性能Tab.2 Tensile properties of 304 austenitic stainless steel at room temperature

1.2 試驗(yàn)方法

在熱老化前后的試樣上截取20mm×10mm×10mm的焊縫金屬，經(jīng)機(jī)械拋光和5g三氯化鐵＋50mL濃鹽酸＋100mL水腐蝕后，采用奧林巴斯GX71型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織；采用Fischer FERITSCOPE MP30型鐵素體儀測(cè)鐵素體相的體積分?jǐn)?shù)；采用JEOL JXA8100型電子探針測(cè)奧氏體和鐵素體中主要合金元素的含量；采用FM-700型顯微硬度儀測(cè)焊縫的顯微硬度，載荷為0.25N，保載時(shí)間為20s；采用JB-300S型沖擊試驗(yàn)機(jī)和WDW-100C型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)焊縫的室溫沖擊功和拉伸性能（均取2件平行試樣的平均值），從70mm×40mm×20mm試樣的1/4T處切取標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣以及截面積為4.0mm×1.8mm、標(biāo)距為8mm的拉伸試樣，如圖1所示，沖擊試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)分別按照GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》和 GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)的加載速率為0.1kN·s-1，焊縫位于試樣的中心位置。

圖1 夏比沖擊試樣和拉伸試樣的取樣示意Fig.1 Schematic diagram showing the Charpy impact sample and tensile sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

原始焊縫由奧氏體相和鐵素體相組成，鐵素體為蠕蟲狀、帶狀形貌，如圖2（a）所示；在不同溫度熱老化6 000h后，焊縫組織未發(fā)生明顯變化，仍由奧氏體相和鐵素體相組成，形貌亦基本未變，熱老化后焊縫組織的典型形貌如圖2（b）所示。

熱老化后，焊縫區(qū)鐵素體的體積分?jǐn)?shù)沒(méi)有明顯變化。原始焊縫中鐵素體的體積分?jǐn)?shù)為11.0%～12.7%，平均值為12%；在400℃熱老化6 000h后，鐵素體的體積分?jǐn)?shù)為10.5%～12.8%，平均值為11.8%。

圖2 304奧氏體不銹鋼焊縫熱老化前后的顯微組織Fig.2 Microstructure of 304austenitic stainless steel weld before（a）and after（b）thermal aging at 400℃for 6 000h（b）

由表3可見，熱老化前后，焊縫中鐵素體相和奧氏體相的主要組成元素相同，均主要為鐵、鉻、鎳、錳、硅；此外，熱老化前后鐵素體相中的鉻含量均較高，而奧氏體相中的鎳、錳含量均較高，各元素在兩相中的分布沒(méi)有明顯變化。

表3 在不同溫度熱老化6 000h前后304奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體相和奧氏體相中主要合金元素的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Contents of main alloy elements in ferrite and austenite in 304austenitic stainless steel weld before and after thermal aging at different temperatures for 6 000h（mass） %

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 顯微硬度

圖3 304奧氏體不銹鋼焊縫及奧氏體顯微硬度與熱老化時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.3 Micro-hardness vs thermal aging time for 304 austenitic stainless steel weld and the austenite

由圖3可知，304奧氏體不銹鋼焊縫的顯微硬度隨熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，熱老化溫度越高，顯微硬度越大；在325℃和400℃下熱老化6 000h后，顯微硬度較熱老化前的分別增加了13.2%和32.6%；另外，焊縫中奧氏體相的顯微硬度沒(méi)有明顯變化。焊縫主要由奧氏體相和少量鐵素體相組成，故而焊縫顯微硬度的增大主要是由于鐵素體相硬度增大造成的。奧氏體不銹鋼熱老化后，鐵素體相發(fā)生Spinodal分解，或α′相析出導(dǎo)致鐵素體中的α-α′不匹配，或者鐵素體中的G相析出，這都將導(dǎo)致鐵素體的硬度升高［5，9］。

2.2.2 沖擊功

由圖4可知，與熱老化前相比，304奧氏體不銹鋼焊縫在不同溫度下熱老化6 000h后，沖擊功均顯著降低，且熱老化溫度越高，沖擊功降低得越明顯；在325℃和400℃熱老化后，焊縫沖擊功分別下降了19%和28%。研究表明［10-11］，焊縫沖擊韌性降低是由熱老化后鐵素體硬化進(jìn)而導(dǎo)致鐵素體區(qū)在沖擊作用下更早斷裂造成的，根本原因在于熱老化后鐵素體中析出了富含鐵的α相和富含鉻的α′相，這兩相的互連結(jié)構(gòu)增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)變得更加困難，從而導(dǎo)致熱老化后焊縫的沖擊韌性降低。

圖4 304奧氏體不銹鋼焊縫在不同溫度熱老化6 000h前后的沖擊功Fig.4 Impact energy of 304austenitic stainless steel weld before and after thermal aging at different temperatures for 6 000h

2.2.3 拉伸性能

由表4可以看出，與熱老化前相比，304奧氏體不銹鋼焊縫在325，365，400℃熱老化6 000h后的力學(xué)性能變化不大，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均只有小幅增加，伸長(zhǎng)率則有小幅降低，這與Vitek等［11］的研究結(jié)果相符。此外，熱老化溫度越高，焊縫力學(xué)性能的變化就越大；拉伸斷口均位于焊縫區(qū)。

表4 304奧氏體不銹鋼焊縫在不同溫度熱老化6 000h前后的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of 304stainless steel weld after thermal aging at different temperatures for 6 000h

3 結(jié) 論

（1）304奧氏體不銹鋼焊縫在325，365，400℃熱老化前后的組織均由奧氏體相和鐵素體相組成，且均為蠕蟲狀、帶狀形貌，鐵素體相和奧氏體相中的主要元素含量均沒(méi)有明顯變化。

（2）隨熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，304奧氏體不銹鋼焊縫的顯微硬度逐漸增大，且熱老化溫度越高，顯微硬度越大，但焊縫中奧氏體相的顯微硬度沒(méi)有明顯變化。

（3）與熱老化前相比，304奧氏體不銹鋼焊縫在325，365，400℃熱老化6 000h后的沖擊功顯著降低，且熱老化溫度越高，沖擊功越低。

（4）與熱老化前相比，304奧氏體不銹鋼焊縫在325，365，400℃熱老化6 000h后的拉伸性能變化較小，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有小幅增加，伸長(zhǎng)率則有小幅降低；熱老化溫度越高，焊縫力學(xué)性能的變化越大。

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