劉艷鋒，張娟，肖文凱，翟顯

（1.東方電氣（廣州）重型機器有限公司，廣東 廣州 511455；2.武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，湖北 武漢 430000）

目前世界上多數(shù)國家使用的核壓力容器中，板材主要為A533B鋼，鍛件材料最常用的是Mn-Mo-Ni鋼（ASME牌號為SA-508Gr．3）。到目前為止，世界的核電站建設(shè)已經(jīng)歷經(jīng)了3代。美國的第1代壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器所用材料為A212B（鍛件材料為A350LF3），該鋼具有優(yōu)良的工藝穩(wěn)定性和焊接性，但是淬透性和高溫性能較差，于是第2代壓水堆核電站反應(yīng)堆改用Mn-Mo鋼A302B（鍛件為A336），Mn元素的加入提高了高溫性能和降低回火脆性，但后來逐漸暴露出缺口韌性差的不足。在第2代的基礎(chǔ)上，又加入了Ni元素，發(fā)展成為淬透性和韌性較好的Mn-Mo-Ni鋼，廣泛用于3代非能動壓水堆核電蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的鍛件材料中。SA-508Gr．3即SA-508等級3標(biāo)準(zhǔn)的合金鋼，本文簡稱SA-508鋼，美國機械工程協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中對于 SA-508鋼的主要組成進行了規(guī)定見表1，材料力學(xué)指標(biāo)見表2。一般情況下我們使用碳的含量對其材料的拉伸能力進行評價，碳含量用“Ceq”表示，其中Ceq等于碳+1/24硅+1/6錳+1/40鎳+1/4，合金鋼中如果碳含量高，在適宜的溫度下會獲得更高的材料性能。另外，對于核反應(yīng)堆通過焊接耐腐蝕的合金鋼來提高其可靠性，為了保證焊接后沒有表面龜裂的產(chǎn)生，通常會調(diào)整焊接時在高溫情況下裂紋的系數(shù)指標(biāo)，并通過裂紋系數(shù)公式：鉻+3．3鉬+8．1V-2進行優(yōu)化。

表1 ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的SA508Gr.3化學(xué)成分

表2 ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的SA508Gr.3力學(xué)性能

1 SA-508合金鋼的冷卻變化趨勢圖

SA-508合金鋼的冷卻變化趨勢圖，反映了合金鋼在各種冷卻速率情況下組成元素的變化趨勢，變化趨勢圖是設(shè)計合金鋼熱加工重要的依據(jù)。如圖1所示，研究專家經(jīng)過試驗得出SA-508其等級1與等級2標(biāo)準(zhǔn)下的合金鋼，化學(xué)元素組成變化趨勢的不同，也在圖中表示出來，SA-508其標(biāo)準(zhǔn)3合金鋼在經(jīng)歷各種速率的持續(xù)冷卻后形成了3類結(jié)構(gòu)，即Pearlite結(jié)構(gòu)、Bainite結(jié)構(gòu)與Martensite結(jié)構(gòu)。

圖1 SA508鋼（SA-508等級1、SA-508等級2）連續(xù)冷卻變化趨勢圖

2 SA-508鋼的熱處理和焊后熱處理

SA-508鋼一般以“調(diào)質(zhì)”形式出貨，調(diào)質(zhì)是將需要處理的合金鋼通過高溫加熱到900℃左右進行Austenite后，通過向合金鋼表面噴水，使其迅速轉(zhuǎn)換為Bainite組織結(jié)構(gòu)的一種處理方式。

一些專家通過實驗得出結(jié)論，錳-鎳-鉬合金鋼，670℃再回火的過程中會產(chǎn)生鋼件變脆的現(xiàn)象，并以此總結(jié)了此現(xiàn)象的相關(guān)的變化過程：合金相位密度的下降、合金含碳物質(zhì)溢出后密度的下降、合金組織晶體合成與其體積的膨脹，合金含碳物質(zhì)的融合與碳物質(zhì)大顆粒結(jié)晶體的出現(xiàn)，結(jié)晶體突然增大。合金相位密度的下降和合金含碳物質(zhì)溢出后密度的下降過程降低了合金的強度，但獲得了更高的韌性，在此期間碳混合物的晶體也同時變大，并且異常增長。專家認(rèn)為，回火小于650℃比較理想。專家研究指出Bainite結(jié)構(gòu)與和ferrite體之間的粗桿與大微粒有可能對合金鋼的韌性有一定影響。M3C結(jié)構(gòu)的碳混合物常常導(dǎo)致裂紋，通過640℃以上的熱處理工藝，會致使合金中的鉬含量降低，以至于合金鋼的韌性得到大幅降低。

機械協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)要求，合金鋼焊接后的處理工藝，其溫度不能大于600℃，這種方式的作用通常是焊接后進行去除應(yīng)力的過程。

3 SA508Gr.3鋼模擬焊后熱處理組織

一般情況下，SA-508 Gr．3Cl．2 鋼焊接完成后，需要較長時間的焊后熱處理，以消除殘余應(yīng)力。為了保證材料的穩(wěn)定可靠運行，某廠進行了模擬焊后熱處理。模擬焊后熱處理的工藝要求為：（1）入爐溫度：＜400℃；（2）400℃以上的加熱和冷卻速率：≤55℃/h；（3）保溫溫度：615±5℃；（4）保溫時間：至少16h。

圖2為某廠模擬焊后熱處理的SA508Gr．3鋼金相組織（a為沖擊功240J正常組織，b為沖擊功20J異常組織），對比可以發(fā)現(xiàn)異常組織和正常組織存在明顯差異，存在異常組織的試樣沖擊功從240J迅速下降到20J，韌性急劇下降，為了分析其原因，對異常組織進行了掃描電鏡分析。

圖3為掃描電鏡下觀察到的異常組織。

圖2 模擬焊后熱處理的SA508Gr.3鋼金相組織

圖3 模擬焊后熱處理的SA508Gr.3鋼異常組織SEM圖

分析圖2和圖3，可以看出異常組織主要是塊狀鐵素體和典型的貝氏體形態(tài)組織，部分區(qū)域有碳化物條間析出。由于其Ac3溫度在727℃，根據(jù)回火溫度可以得知，異常組織是由于超溫回火后產(chǎn)生的。對正常組織進行735℃超溫回火，再保溫一段時間后爐冷，得到組織如圖4所示。掃描電子分析圖透射電鏡下的形貌圖如圖5。

圖4 735℃超溫回火后的金相組織圖

圖5 735℃超溫回火后的組織SEM圖

4 結(jié)語

通過對模擬熱處理得到的異常組織和超溫回火處理后的組織分析，在金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡下均可以看到島狀的組織和沿晶分布的析出物，高倍下可以發(fā)現(xiàn)析出物部分為上貝氏體組織，鐵素體和Fe3C交替分布。異常組織為島狀組織，其主要成分為馬氏體-奧氏體組織（又稱為M-A島狀組織）。

在615℃正常回火時，組織不會發(fā)生轉(zhuǎn)變，一旦超溫，達(dá)到了735℃左右，這時材料進入了兩相區(qū)（鐵素體+奧氏體），奧氏體的量決定于超溫的幅度，碳含量基本上聚集在奧氏體中。溫度再緩慢下降到620℃左右時，一小部分奧氏體開始由晶界發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，生成了極細(xì)珠光體，即在金相照片上沿晶界析出的黑色部分組織；同時大部分奧氏體基體切變形成體心鐵素體結(jié)構(gòu)，碳元素開始擴散遷移形成貝氏體，金相照片或SEM照片上的桿狀棒狀島狀組織即是此種組織，但是這種組織是未完全化的貝氏體，實際上就是孿晶馬氏體，因此是造成韌性急劇下降的主要原因。