供稿|林明新，李杰，石莉，程含文，謝東 / LIN Ming-xin, LI Jie, SHI Li, CHENG Han-wen, XIE Dong

內容導讀

SA-738Gr.B鋼板是采用第三代核電技術AP1000建造的壓水核反應堆鋼質安全殼所需材料。文章對比分析了不同模擬焊后熱處理制度對SA-738Gr.B鋼板力學性能和微觀組織的影響。結果表明，鋼板經模擬焊后熱處理后，鋼板的強韌性都會有一定程度的降低，塑性升高。隨著模擬焊后熱處理溫度的升高、保溫時間的延長，強度降低、韌性降低尤其是低溫韌性下降明顯，塑性略微升高。造成這種現(xiàn)象的主要原因是模擬焊后熱處理過程中位錯密度的降低以及新老析出相的共同聚集長大，基體位錯密度越低，合金元素析出越多，第二相粒子聚集長大越明顯。與延長保溫時間相比，提高模擬焊后熱處理溫度對鋼板性能的影響更明顯。

SA-738Gr.B鋼板是采用第三代核電技術AP1000建造的壓水核反應堆鋼質安全殼所需材料[1]，特殊的使用環(huán)境及重要性使得安全殼用鋼板的質量要求很高。對于安全殼用鋼板，由于其需要卷制后進行焊接，故其除了應具有良好的力學性能之外，鋼板模擬焊后熱處理(SPWHT)后的性能也是一項重要的檢驗要求。

本文以國內某鋼廠生產的厚度45 mm的SA-738Gr.B鋼板為對象，研究了不同模擬焊后熱處理制度下鋼板的常溫拉伸、高溫拉伸、夏比沖擊以及組織的變化，為后續(xù)安全殼制造過程、服役過程的檢修及焊接接頭熱處理提供依據及指導。

實驗材料及方法

實驗鋼板為某鋼廠生產的厚度45 mm的SA-738Gr.B鋼板，其化學成分如表1所示。

表1 實驗鋼板的化學成分(質量分數(shù)，%)

試樣生產工藝流程：初煉→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄→鋼坯加熱→鋼板軋制→熱處理(淬火+回火)→取樣→模擬焊后熱處理。試樣編號及其對應的熱處理制度見表2。

表2 試樣熱處理制度

對不同制度下的試樣在板厚1/4處切取常溫拉伸、高溫拉伸、夏比沖擊以及組織試樣，并按照ASTM A370—2012a、ASTM E21—1998、ASTM E112—2013進行實驗及組織觀察。

實驗結果及分析

拉伸性能

鋼板交貨狀態(tài)及不同模擬焊后熱處理制度下試樣的常溫拉伸性能及200℃高溫拉伸性能如表3所示。

由表3可以看出，鋼板經模擬焊后熱處理后，屈服強度和抗拉強度均有不同程度的下降，延伸率有不同程度的上升。按照ASME SA-738/SA-738M的技術要求，室溫拉伸要求值為：Rp0.2≥415 MPa，Rm585～705 MPa，A≥20%。結合表3，經620℃模焊后(2#、3#)強度及塑性與交貨態(tài)(1#)相比僅稍有降低或升高；當模焊溫度升高至640℃時(4#、5#)強度下降較多，延伸率明顯提高，但其仍然符合SA-738/SA-738M的技術要求；模焊溫度進一步升高至660℃(6#、7#)時，強度進一步降低，延伸進一步提高，其中抗拉強度已低于標準要求。由此可知，隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，試樣強度越低、塑性越好。對比同一模焊溫度下，隨著保溫時間的延長，強度和延伸僅稍有降低或升高，變化并不是很大。由此可知，模焊溫度對鋼板拉伸性能影響較大。

200℃高溫拉伸性能與室溫拉伸性能變化規(guī)律相近。參照SA738Gr.B鋼板200℃高溫拉伸常用設計要求：Rp0.2≥345 MPa、Rm≥525 MPa，僅經660℃，15 h模焊后的試樣抗拉強度不符合要求。

表3 鋼板拉伸性能實驗結果

沖擊性能

鋼板交貨狀態(tài)及不同模擬焊后熱處理制度下試樣的夏比沖擊實驗結果見圖1。由圖1可知，鋼板經模焊處理后，韌性降低。同一實驗溫度下隨著模焊溫度升高、保溫時間延長，韌性越差。當沖擊溫度高于-20℃時，各狀態(tài)下的試樣沖擊吸收功都大于200 J，且差距不大。當沖擊溫度低于-20℃時，隨著模焊制度的變化開始出現(xiàn)明顯的差距，實驗溫度達到-80℃時，經660℃模焊后的試樣已屬于脆性斷裂。

金相組織

鋼板交貨狀態(tài)的金相組織如圖2所示，其組織為回火貝氏體組織+少量鐵素體組織。晶粒尺寸均勻細小，晶粒度為8～9級。

鋼板經不同制度模擬焊后熱處理后，觀察其微觀組織，見圖3。其組織仍為回火貝氏體+少量鐵素體，晶粒度也未發(fā)生變化。模擬焊后熱處理過程相當于一個長時回火過程，該過程中的組織轉變主要為回復作用增強，基體位錯密度降低；第二相的形狀、尺寸及分布發(fā)生變化[2]。結合圖3，經620℃，15 h的模焊處理后，鐵素體基體內第二相增多，且貝氏體晶界開始變得模糊；當模焊溫度升高至640℃，15 h后，晶內及晶界的第二相都明顯增多且大尺寸粒子的比例增大；進一步提高模焊溫度至660℃，15 h后，貝氏體晶界已變得模糊不清，第二相粒子尺寸較大且聚集分布在晶界及晶內。當模焊溫度不變，改變模擬焊后保溫時間，無論是從15 h延長至24 h，還是縮短至8 h，晶內細小的析出物隨著時間的延長增多，但析出物的尺寸基本不變。

對比掃描電鏡下的高倍顯微組織，見圖4，隨著模焊溫度的升高，貝氏體晶界越來越模糊，鐵素體晶內及晶界的第二相增多，大粒度第二相比例越來越大，片、桿狀第二相粒子斷開并球化。

鋼板經模擬焊后熱處理后，造成鋼板的力學性能變化的原因主要有：①基體位錯密度的降低會降低位錯強化效果，增加基體連續(xù)性，使鋼板強度降低，塑性升高；②模焊過程中鋼中固溶合金元素以碳化物的形式析出，降低了固溶強化效果；③析出相在模焊過程中發(fā)生小粒子溶解、大粒子長大，使得大粒度第二相比例增大，進一步降低了強度及韌性。模焊溫度越高，基體位錯密度越低，合金元素析出越多，第二相粒子聚集長大越明顯，所以鋼板的強度越低，韌性越差，塑性越好。對于同一模焊溫度，隨著保溫時間的延長，合金元素析出增多，雖降低了固溶強化效果，但由于新析出的第二相粒子未發(fā)生聚集長大，所以起到了一定的第二相強化作用。這可能是造成鋼板性能隨保溫時間的變化未發(fā)生明顯變化的主要原因。

結束語

(1) 鋼板經模擬焊后熱處理后，顯微組織的變化主要為鐵素體基體內位錯密度降低，鋼中第二相開始長大，同時鋼中的固溶合金元素析出形成更多的新析出相，新老析出相共同聚集長大。

(2) 鋼板經模擬焊后熱處理后，強度降低、韌性降低尤其是低溫韌性下降明顯，塑性略微升高。這主要是由于鋼中第二相的變化造成的。

(3) 隨著模擬焊后熱處理溫度的升高、保溫時間的延長，基體位錯密度越低，合金元素析出越多，第二相粒子聚集長大越明顯，所以鋼板的強度越低，韌性越差，塑性越好。

(4) 與延長保溫時間相比，提高模擬焊后熱處理溫度對鋼板性能的影響更明顯。對于SA-738Gr.B鋼板，經660℃模焊后即使保溫時間縮短至8 h，鋼板的強韌性也達不到標準要求。