周　燦

(國核工程有限公司， 上海 200233)

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材料技術(shù)

鐵素體核級鍛件取樣方法探討

周燦

(國核工程有限公司， 上海 200233)

基于ASME NB-2223標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定和要求，以鍛件的受力情況和材料性能的影響因素為出發(fā)點，針對兩類不同的鍛件，分析了各自采用不同取樣方法的原因，同時對應(yīng)用這些取樣方法時應(yīng)注意的方面提出了一些意見。

核電； 鍛件； 取樣

在鍛件的制造過程中，取樣作為鍛件生產(chǎn)和檢驗中的關(guān)鍵步驟，關(guān)系到對鍛件實際性能的判斷，決定了鍛件的合格與否。在實際生產(chǎn)中應(yīng)選擇科學(xué)、合理的取樣方法，保證取樣位置能夠具有足夠的代表性、可操作性及經(jīng)濟性等。ASME作為核電領(lǐng)域的基本設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一，其中對于鍛件的取樣方法的規(guī)定值得研究。筆者從不同類型鍛件的受力特點和材料性能的影響因素出發(fā)，分析了ASME NB-2223中規(guī)定的兩種取樣方法的原因。

1　ASME NB-2223標(biāo)準(zhǔn)的介紹

在ASME第III卷各NX分卷中，NX-2200規(guī)定了鐵素體材料的試樣制備問題，其中NX-2223詳述了鐵素體鍛件的取樣要求。以NB-2223為例，分別規(guī)定了兩種不同情況下所應(yīng)采取的取樣方法，分別為NB-2223.1和NB-2223.2。NB-2223.1適用于結(jié)構(gòu)相對簡單、壁厚不超過一定厚度的鍛件；NB-2223.2適用于特厚且復(fù)雜的鍛件。

2　簡單薄壁鍛件的取樣

2.1 簡單薄壁鍛件的取樣方法

對于簡單薄壁鍛件，按照ASME NB-2223.1的規(guī)定，切取試樣時，應(yīng)使試樣的縱軸到任何表面的距離至少為T/4，且試樣長度的中線到任何第二表面的距離至少為T，此處T為鍛件熱處理最大厚度[1]。

這種取樣方法目前應(yīng)用最廣。AP1000核島主設(shè)備的大部分筒體和封頭都采用了這種取樣方法。NB-2223.1適用于結(jié)構(gòu)相對簡單、壁厚不超過一定厚度的鍛件。對于這類鍛件適用于NB-2223.1規(guī)定的取樣方法原因，下面將以筒體鍛件為例，從鍛件本身的性能和其受力情況進行分析。

2.2 薄壁容器的受力分析

對于薄壁容器而言，其適用性一般做如下規(guī)定：

(1)

式中：Do為筒體外徑，Di為筒體內(nèi)徑。

當(dāng)K>1.2時，視為厚壁；當(dāng)K≤1.2時，視為薄壁。進行受力分析時，大部分筒體鍛件都適用于薄膜應(yīng)力模型。

軸向應(yīng)力：

(2)

切向應(yīng)力：

(3)

式中：p為容器內(nèi)壓；D為容器直徑；δ為壁厚。

由于壁厚很薄，可近似認為上述應(yīng)力沿壁厚均勻分布，筒體鍛件上任一點沿筒體軸向和切向的兩方向上受力，且切向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2倍。因此，對于鍛件的性能，要求性能最差的位置能夠達到設(shè)計要求，且性能均勻穩(wěn)定，不能具有明顯的方向性。

2.3 鍛件性能的分析

化學(xué)成分確定的鋼種，影響其性能的主要工藝包括鋼錠鑄造、鍛造和熱處理三個階段。

2.3.1 鋼錠鑄造

鋼錠鑄造凝固后晶粒較為粗大，通常由表及里形成表層細晶區(qū)，柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)，見圖1。

就宏觀組織而言，表面細晶區(qū)一般比較薄，對質(zhì)量和性能的影響不大。柱狀晶在生長過程中凝固區(qū)域較窄，其橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，樹枝狀晶得不到充分地發(fā)展，分支較少。因此結(jié)晶后顯微疏松等晶間雜質(zhì)少，組織比較致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。柱狀晶性能具有明顯的方向性：縱向好，橫向差。中心等軸晶區(qū)的晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性。其缺點是枝晶比較發(fā)達，顯微疏松較多，凝固后組織不夠致密。等軸晶細化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能[2]。

考慮到內(nèi)壓薄壁容器的受力情況，一般希望在后續(xù)制造中采取措施減少柱狀晶，獲得較多的甚至全部的等軸晶，且晶粒要盡可能細。這樣才能充分提高在原有柱狀晶區(qū)位置上的材料性能。

另外鍛件取樣的位置也與鋼錠內(nèi)部存在的偏析有關(guān)，取樣位置應(yīng)該置于容易產(chǎn)生缺陷的位置，只有這樣試樣合格才能代替整個鍛件，保證使用中的安全。由于鋼錠在結(jié)晶過程中選分結(jié)晶的結(jié)果，柱狀晶與等軸晶的交界面，剛開始形成等軸晶時的結(jié)晶區(qū)造成的底部沉積錐(負偏析區(qū))，最終凝固區(qū)域的縮孔及其附近低熔點夾雜物富集的正偏析區(qū)等，是主要缺陷集中區(qū)域，均處于表層下1/4壁厚以內(nèi)。

鋼錠主要缺陷及其分布見圖2。

2.3.2 鍛造

鍛造的目的主要有兩點：一是成形，二是改善內(nèi)部質(zhì)量。就改善內(nèi)部質(zhì)量的角度而言，鍛造能消除鑄造中的某些缺陷，如將氣孔和疏松焊合；改善夾雜物和脆性物的形狀、大小及分布；部分消除偏析；將具有明顯方向性的粗大柱狀晶、樹枝晶變?yōu)樾阅芫鶆蚨€(wěn)定的細小等軸晶，使材料的致密度和力學(xué)性能有所提高。

鋼錠表面的細晶帶在鍛造的加熱過程中幾乎全部因氧化而消失，鍛件主要由鋼錠的柱狀晶帶和等軸晶帶組成。一般鋼錠頭部的縮孔區(qū)域和尾部的三角沉積晶區(qū)屬于缺陷集中區(qū)，會通過切頭去尾而切除。柱狀晶帶和等軸晶帶這兩個晶帶的交界區(qū)域是各種偏析缺陷比較集中的區(qū)域。

在鍛造過程中，隨著變形程度的增加，鋼錠內(nèi)部粗大的樹枝狀晶逐漸沿主變形方向伸長，與此同時，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主變形方向一致，于是在順著主變形方向上形成具有流線型的“纖維組織”。在熱變形過程中，由于再結(jié)晶，被拉長的晶粒變成細小的等軸晶，而流線卻穩(wěn)定地保留。這種纖維組織，沿流線方向比垂直流線方向具有更好的力學(xué)性能，見圖3[3]。

因此，取樣時盡量避開鍛件表面由柱狀晶組成的組織致密、缺陷較少和質(zhì)量較好的區(qū)域。

2.3.3 熱處理

對于鐵素體鍛件而言，性能試驗前一般都進行調(diào)質(zhì)熱處理。在化學(xué)成分一定、熱處理工藝確定的情況下，淬火時的組織轉(zhuǎn)變主要受冷卻速度的影響。

當(dāng)冷卻速度較快時，最終得到馬氏體和下貝氏體組織；當(dāng)冷卻速度較小時，得到鐵素體、珠光體和上貝氏體組織(見圖4)。馬氏體和下貝氏體組織硬度和強度相對較高，韌性和塑性較低。這些組織在隨后的回火熱處理中還會變化，性能按照不同回火溫度得到不同的強度和塑性組合，一般來說，淬火時冷卻速度越快，得到的組織晶粒度越小，材料的綜合性能也越好[4]。

對于薄壁鍛件而言，鍛件表面和心部冷卻速度差別不大，合理控制熱處理工藝和淬火冷卻條件，鍛件的組織和整體性能獲得較好的均勻性[5]。冷卻速度對于鍛件表面和心部性能的影響并不是主要原因。

對核電主設(shè)備鍛件，壁厚一般較厚，即使壁厚與直徑相比還屬于薄壁筒體，但是鍛件表面的冷卻速度與心部的冷卻速度已經(jīng)相差很大，會形成各種不同的組織狀態(tài)，這時取樣位置的問題就很重要了。

理想的鍛件組織是貝氏體，回火后的組織具有較好的綜合力學(xué)性能。在鍛件熱處理壁厚過厚的情況下，鍛件內(nèi)部特別是心部冷卻速度緩慢，會形成鐵素體+珠光體組織，這樣就難以達到設(shè)計的性能要求[6]。

ASME SA508第6.1.6.2節(jié)中采用上述取樣方法時同時推薦對壁厚進行了限制[7]，見表1。

表1　鍛件壁厚

上海交通大學(xué)潘健生院士的團隊在研究SA-508 Gr.3材料不同冷卻條件下顯微組織時得出的結(jié)論是：對于厚壁接近200 mm的大鍛件在水淬情況下，截面上的組織分布是不均勻的，而且受淬火冷卻速度的影響十分敏感。至于厚度大于200 mm的大鍛件心部冷速已落入出現(xiàn)塊狀α-Fe的范圍，難以達到標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。該結(jié)論與標(biāo)準(zhǔn)推薦的205 mm吻合。

綜上所述，結(jié)合對薄壁筒體鍛件的受力和鍛件性能影響因素的分析，對于受力情況簡單、壁厚在一定范圍內(nèi)的鍛件，采用NB-2223.1規(guī)定的取樣方法主要基于以下三點：

(1) 鍛件各處受力均勻，在筒體切向上應(yīng)力最大。

(2) 使試樣縱軸線位于T/4以內(nèi)處是為了避開鍛件表面由鋼錠柱狀晶組成的組織致密、缺陷較少和質(zhì)量較好的區(qū)域，而使試樣處于缺陷較多的柱狀晶與等軸晶交界區(qū)或中心等軸晶區(qū)。

(3) 試樣軸線的中點離開熱處理端面至少1倍壁厚的要求，也是為了避開鍛件端部冷卻條件較好的區(qū)域，使試樣具有更好的代表性。

3　特厚且復(fù)雜的鍛件取樣

3.1 特厚且復(fù)雜鍛件的取樣方法

對于特厚且復(fù)雜的鍛件，按照ASME NB-2223.2的規(guī)定，切取試樣時，應(yīng)使試樣的縱軸離最近熱處理表面至少等于所規(guī)定的高拉應(yīng)力表面到最近的熱處理表面的最大距離，且試樣長度的中線到其他熱處理表面至少為此距離的2倍。在任何情況下，試樣的縱軸到任何熱處理表面的距離不得小于19 mm，試樣長度的中線到任何第二表面的距離至少為38 mm[1]。

該方法適用于特厚且復(fù)雜的鍛件。這類鍛件相比簡單薄壁鍛件，主要有以下兩個特點：

(1) 鍛件的應(yīng)力不能簡化為沿壁厚方向均勻、規(guī)則分布的模型。此類鍛件表面和內(nèi)部的應(yīng)力分布存在差異，甚至比較復(fù)雜；但是一般說來表面受力最大，越往心部受力越小。

(2) 對于特厚鍛件，鍛件組織存在不均勻性是必然的，主要體現(xiàn)在內(nèi)部和近表面性能差異很大。由于表面冷卻速度大于內(nèi)部材料的冷卻速度，因此表面材料的性能也比內(nèi)部材料的性能要好。

3.2 采用NB-2223.2取樣方法的原因

正如NB-2223.2所規(guī)定的那樣，對于采用這種取樣方法的復(fù)雜鍛件而言，證書持有者(一般是設(shè)計方)應(yīng)規(guī)定在使用中承受高拉應(yīng)力的成品表面。由于該類鍛件的運行工況、形狀結(jié)構(gòu)等普遍都比較復(fù)雜，因此基于這些因素的應(yīng)力分析較簡單鍛件而言就相對困難，需要進行大量的分析計算。但定性地講，該類鍛件應(yīng)力分布的一般規(guī)律是：在標(biāo)注了表面高拉應(yīng)力的區(qū)域受力較為集中，在鍛件內(nèi)部受力則遠遠小于表面高拉應(yīng)力區(qū)。

因此，對于該類鍛件性能的考核，主要關(guān)注于表面高拉應(yīng)力區(qū)的性能。該類鍛件在正常工況下，內(nèi)部受力實際都遠小于材料的設(shè)計屈服強度，若以設(shè)計屈服強度考核鍛件內(nèi)部性能，首先是沒有必要，其次加大了鍛件的制造難度(大量鍛件解剖的事實數(shù)據(jù)也已經(jīng)表明，材料壁厚超出一定厚度，內(nèi)部根本達不到按照薄壁鍛件制定的標(biāo)準(zhǔn)性能要求)，對于資源的利用也是一種浪費。

3.3 應(yīng)用NB-2223.2取樣方法的要點

(1)對于高拉應(yīng)力區(qū)而言，不應(yīng)理解為由于鍛件本身形狀結(jié)構(gòu)而造成的局部區(qū)域的應(yīng)力集中，它應(yīng)該是設(shè)計方根據(jù)設(shè)備運行工況下受力情況和鍛件的形狀結(jié)構(gòu)等多種因素計算出來的一個規(guī)則的面，既不是集中于某一點，也不是某條線。

(2) 在確定了表面高拉應(yīng)力區(qū)后，以此為基準(zhǔn)確定高拉應(yīng)力區(qū)距最近熱處理表面的距離。需要指出的是，可能存在以下一種情況，即高拉應(yīng)力區(qū)表面與最近的熱處理表面并不平行，高拉應(yīng)力區(qū)表面上的點到最近熱處理表面的距離有大有小，此時要取最大值，即為取樣時的基準(zhǔn)熱處理余量t。因此，此處的t同樣不能簡單規(guī)定為19 mm。只有當(dāng)通過上述方法確定的t小于19 mm時才以此為基準(zhǔn)。

(3) 設(shè)計方應(yīng)該通過計算確定在內(nèi)部應(yīng)力下降的情況下，材料內(nèi)部性能的下降相對于該處的受力情況仍然具有足夠的設(shè)計裕量。

4　結(jié)語

(1) 對于結(jié)構(gòu)簡單的薄壁鍛件，鍛件內(nèi)外各處的受力情況基本一致，取樣部位應(yīng)位于鍛件綜合性能較差的部位。

(2) 對于特厚且復(fù)雜的鍛件，其受力情況復(fù)雜，鍛件組織存在不均勻性，除驗證高拉應(yīng)力區(qū)處的材料性能外，還應(yīng)通過計算確定材料內(nèi)部性能的下降相對于該處的受力情況仍然具有足夠的設(shè)計裕量。

[1] ASME. Procedure for obtaining test coupons and specimens for quenched and tempered material: NB-2220[S]. New York: ASME, 2000

[2] 胡賡祥, 蔡珣, 戎詠華. 材料科學(xué)基礎(chǔ)[M]. 2版. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2006: 310-311.

[3] 徐洲, 姚壽山. 材料加工原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003: 170-171.

[4] 金河, 董澤忠, 田洪志, 等. AP1000核電廠蒸汽發(fā)生器下筒體A大鍛件力學(xué)性能試驗不合格原因分析[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2014, 28(3): 189-192, 210.

[5] 龔正春, 楊麗霞. 核電蒸汽發(fā)生器用SA-508. Gr3. Cl1鍛件材料均勻性試驗研究[C]//2010年核電站新技術(shù)交流研討會論文集. 深圳: 中國電機工程學(xué)會, 2010.

[6] 劉正東, 林肇杰, 陳紅宇, 等. 508-3鋼特厚超大鍛件淬火冷卻實驗研究[C]//第九次全國熱處理大會論文集. 大連: 中國機械工程學(xué)會, 2007.

[7]ASME. Specification for quenched and tempered vacuum-treated carbon and alloy steel forgings for pressure vessels: ASME SEC II SA-508/SA-508M[S]. New York:ASME,2002.

[8] 韓利戰(zhàn), 顧劍鋒, 龍智南, 等. 不同冷卻條件下核電大鍛件用鋼顯微組織分析[C]//中國核學(xué)會2011年年會論文集. 貴陽: 中國核學(xué)會, 2011.

Discussion on the Sampling Method for Nuclear Safety Class Ferrite Forgings

Zhou Can

(State Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

Based on ASME NB-2223, an analysis was conducted on the reasons to apply different sampling methods for two forgings from the aspect of stress conditions and the factors impacting the forging properties, while some suggestions proposed for the application of these sampling methods.

nuclear power; forging; sampling

2016-01-18

周燦(1988—)，男，工程師，從事AP1000核電主設(shè)備技術(shù)工作。

E-mail: zhoucan@snpec.com.cn

TM623.4

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1671-086X(2016)05-0329-04