核電鍛件用鋼SA-508-3-1低溫沖擊性能不合格原因分析與對策

薛永棟 賀 強 鄭三妹 段少飛 李 雪

(中信重工核電研究所，河南471039)

我公司在核電鍛件產品開發過程中出現SA-508-3-1鍛件-20℃的夏氏V形缺口沖擊功不合的問題。為此我們進行了分析，并提出了相應的解決辦法。

1 低溫沖擊韌性試驗

1.1 化學成分

對-20℃的夏氏V形缺口沖擊功不合格的試件1與合格的試件2化學成分進行了對比分析，見表1。從表1可以看出，試件1的C、Mn、Ni、Mo含量和試件2基本持平，有差異的是Al含量，試件1的Al含量比試件2高0.007%。

試件1和試件2-20℃的低溫沖擊功見表2。

表1 試件的化學成分(質量分數，%)Table 1 The chemical composition (mass fraction, %)

表2 -20℃低溫沖擊功Table 2 -20℃ low temperature impact value

由表2可以看出，試件1的沖擊值明顯低于試件2的沖擊值，且-20℃的夏氏V形缺口沖擊功不合格的沖擊值為25 J，與其相鄰的試樣沖擊值為70 J，兩者的比值為1∶2.8。

1.2 金相組織

由圖1和圖2可以看出，Al含量的增加對細化晶粒度非常明顯。在相同的熱處理和鍛造工藝下，Al含量的減少使試件1的晶粒度由8級降低為試件2的6級。一般認為細化晶粒能夠改善鍛件的低溫沖擊性能[1]，但是由表2的-20℃的夏氏V形缺口沖擊結果來看，晶粒度的降低并沒有使-20℃的沖擊功變差，試件2的沖擊功明顯高于試件1，這說明晶粒度與試件1沖擊功急劇下降無關。

1.3 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物評級見表3。

由表3可以明顯看出，對于B類氧化物夾雜試件1明顯高于試件2。對試件1沖擊功不合格的試樣斷口進行了全面的SEM觀察，過程中觀察到斷口有夾雜物存在。由于這種觀察效果不是十分理想，隨后又將斷口進行高倍研磨并做了光學顯微觀察[3]，這種情況下觀察到的夾雜物效果很理想。根據夾雜物形貌判斷為氧化鋁夾雜物，夾雜物金相照片見圖3。

回火索氏體 LM 200×圖1 試件1晶粒度8級Figure 1 Test piece 1 of grain size 8

回火索氏體 LM 200×圖2 試2晶粒度6級Figure 2 Test piece 2 of grain size 6

試件編號非金屬夾雜物(級)A類B類C類D類粗細粗細粗細粗細試件1試件20.50.50.50.51.00.51.50.50.50.50.50.50.50.50.50.5

2 分析與討論

由于夾雜物存在的位置很特殊，正好在沖擊試樣V型缺口的底部垂直面上，而且這種夾雜物為脆性相的Al2O3，這兩種因素的疊加導致在沖擊過程中產生了較明顯的缺口效應和應力集中，從而致使沖擊值很低。

圖3 B類氧化物Figure 3 B type oxide

存在缺口效應和不存在缺口效應的兩種沖擊試樣，沖擊值大小在理論上計算的比例約為1∶3，低溫不合格的沖擊值為25J，與其相鄰的沖擊試樣沖擊值為70 J，兩者的比值為1∶2.8，基本上與理論計算相吻合，這在一定程度上印證了V型缺口處的夾雜物導致沖擊值偏低這種結論的正確性。

根據化學成分、夾雜物形貌和上述分析判斷，引起試件1-20℃的夏氏V形缺口沖擊功不合格的原因是有Al2O3夾雜。雖然按ASTM E45評級非金屬夾雜不超過1.5級，符合ASME對SA-508-3-1核電用鋼的技術指標要求，但是-20℃的夏氏V形缺口沖擊功仍然出現不合格，所以必須嚴格控制鋼中的Al2O3夾雜。

3 結論

(1)Al2O3夾雜是導致沖擊韌性下降的主要原因，夾雜應該是冶煉方法或澆注偏析造成的。

(2)盡可能減少氧在鋼中的含量，把鋼中Al含量控制在適當的范圍值之內，以減少Al2O3的形成環境。

(3)最好讓鋼錠中的Al以氮化鋁的形式存在[2]，盡可能的將N/Al控制在0.55～0.65范圍之內。

[1] 顧林豪，隋鶴龍，王彥峰，吳斌，王根磯. Q345E厚板低溫沖擊性能不合格原因分析與對策[J].軋鋼,2009(5)；55-56，62.

[2] 王瑞卿. 鋼中的氮化鋁及其對鍛造裂紋的影響[J].大型鑄鍛件，1994(3)；24-28.

[3] ASTM E45—1997 鋼中夾雜物含量的評定方法[S].