焊后熱處理對 SA508Gr.3鋼韌性影響的研究

張娟，劉艷鋒，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.武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430000）

1 引言

到目前為止，世界的核電站建設已經歷經了三代。第一代核反應堆以原型堆的形式在20世紀50、60年代應用，大量采用小鍛件和鋼板焊接結構，主設備焊縫較多，安全裕度較低；第二大核反應堆即大型商業化的核電站，在70年代出現并運行至今，開始大量采用大鍛件以減少焊縫；第三代核反應堆的典型代表為AP1000型核反應堆，90年代開始發展，以提高第二代核反應堆的安全性為目標，其功率更大，設計壽命延長，需要更大尺寸和性能更優的大鍛件，SA．508等級3合金鋼是核電機械部件的標準合金原料。在核工業的許多重要設備的設計中都有采用，例如核電工業設備中的穩壓器。SA．508等級3標準的合金鋼與上一代的合金鋼的原料性能相比，其強度大幅提升，并且在較低溫度情況下仍然具備較強的韌性。表1為該鍛件兩代原料SA．508標準3Cl1與SA．508標準3C2的性能指標比較。美國機械協會的標準中定義了該合金鋼的組成成分，見表2與表3。

表1 SA.508等級1與等級2性能比較

表2 ASME標準規范的SA508Gr.3化學成分

表3 ASME標準規范的SA508Gr.3力學性能

2 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降溫速率下組成元素的變化趨勢，變化趨勢圖是設計合金鋼熱加工生產工藝的主要參考條件。該合金鋼具備很高的淬透性能，在熱處理加工過程中，更有利于溫度降低對材料耐溫性能的要求，其在非常低的冷卻條件下也能得到更好的組織結構并擁有不錯的性能指標。如圖1所示，研究專家經過試驗得出SA-508其CL1與等級CL2標準下的合金鋼，化學元素組成變化趨勢。

SA．508其標準3 合金鋼在經歷各種降溫速率的持續冷卻后，可以形成三類結構，即Pearlite結構、Bainite結構、與Martensite結構。從該合金鋼的冷卻變化趨勢圖中可以看出Martensite的極限點狀態，Martensite需要的溫降速度非常快，如果合金件的厚度較大實現這樣快的溫度降低比較困難。如果溫度下降速率低于10度每分鐘時，合金鋼的持續變化過程中存在很多Pearlite結構，其硬度相對要低很多，結構性能較差。

圖1 508-3鋼（SA508Gr.3Cl.1、SA508Gr.3Cl.2）連續冷卻轉變曲線

3 SA508Gr.3鋼的熱處理

美國機械協會的協議規范要求合金鍛造件前期預處理需要兩次以上的完全降溫冷卻，以形成首次Austenite變化及再次Austenite變化的過程。對于厚度較高的合金器件，如果通過首次正火無法實現設計要求，需要進行二次與三次正火，如果正火不滿足要求還需要進行回火，直到符合設計要求為止。通過上述工藝過程，可以有效的改善合金的結構，提升其機加工性能。

SA．508鋼一般以調質形式進行出貨，調質是合金鋼一種處理方式。實際的加工過程中，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，使其迅速轉換為Bainite組織結構的一種處理方式。對于壁厚較厚的合金，通常的插入水里的淬火方法已經不再適合了，其強度指標、韌性指標都無法滿足設計要求，這種情況下一般使用向其表面噴水的方式，即便是使用這種工藝，合金的中心部位溫度的下降速度還是無法達到要求，淬火后經常會形成Bainite結構。

4 合金焊接之后的處理工藝

依照機械協會的規定，合金焊接后的加工處理器溫度不能超過600℃，其工藝過程稱為去除應力退火。由于SA．508合金鋼使用的是調制原料，要實現熱加工過程不對原料的主體產生影響，要求焊接完成后表面處理的溫度不高于鍛件回火溫度，并小于極限溫度15℃。現階段的工藝條件其保存溫度標準為600℃上下。在430℃左右對溫度上升與下降的速度要求不大于55℃每小時。要依據設備的不同部件的實際情況，規定熱加工驗證的溫度時間，以及不同產品部件的使用情況，制定了焊后熱處理試驗的保溫時間，如圖2，焊接時間從0開始，最高是48h。圖2與3分別是焊接與性能關系的曲線圖以及焊接前后的金屬的結構圖。

圖2 焊后熱處理保溫時間與焊縫金屬沖擊性能的關系

經過比較我們得出結論，焊接后加工的溫度被限制在150℃左右，熱加工過程對焊縫的影響不大，其焊接前后的結構沒有太大變化，但晶體溢出數量有所變化，在高倍顯微鏡下，合金體內的存在密度很高的位錯組織。焊接熱加工后略有變化，這時的剩余應力減少，焊接強度也隨之降低，韌性增高，但由于焊接縫隙的結構沒有改變，導致焊縫部位的強度穩定。通過實驗對焊接縫隙的強度進行測試，我們得出不同時間條件下焊縫的抗沖擊能力對比，可以看出抗沖擊強度變化不大。

圖3 焊態與焊后熱處理態焊縫金相比較

5 回火過程中殘余奧氏體分解特征及其對沖擊韌性的影響

鋼中的殘余奧氏體一般轉為成為鐵素體和滲碳體。G．Yan P等研究了SA508 Gr．3鋼回火過程中殘余奧氏體分解特征及其對沖擊韌性的影響，與傳統的回火處理方法相比，將殘余奧氏體轉化為馬氏體或貝氏，而不是直接分解為長棒碳化物和鐵素體。研究發現，在230℃回火時，從殘余奧氏體分解形成馬氏體，速度非常緩慢，完全分解需要超過5h。在400℃和650℃回火過程中，殘余奧氏體轉化為貝氏體，在650℃回火過程中，殘余奧氏體轉化為長棒碳化物和鐵素體的混合物，見圖4。

圖4 400℃回火前后樣品的顯微結構演變

因此可知，殘余奧氏體分解形成的產物對鋼的沖擊韌性有顯著影響。長棒碳化物減少可以促進的韌性的提高。在400℃的預回火可以消除長棒碳化物和鐵素體的混合物。