試驗溫度對不同熱處理狀態核電站用P280GH 鋼彎頭拉伸性能的影響

焦少陽,張宏偉,王寶順,鄭 越,路曉暉,崔 嵐

(1.中國核電工程有限公司,北京100840;2.核工業標準化研究所,北京100091;3.浙江久立特材科技股份有限公司,湖州313028)

P280GH 鋼是核電站中用量最多的碳鋼材料,主要用于核電站主蒸汽系統、主給水流量控制系統、輔助給水系統和汽輪機旁路系統等,產品形式包括鋼管、鋼板、鍛件、管件等,工作溫度范圍為室溫至316 ℃。核電站主蒸汽系統彎頭通常采用P280GH鋼制造,該彎頭有鍛造和推制兩種制造方式,目前推制彎頭應用最廣泛[1]。為保證P280GH 鋼推制彎頭的力學性能滿足采購要求,需對其進行交貨狀態(HTMP)的熱處理,具體處理工藝流程為:在890 ℃下正火,保溫55 min 后在靜止的空氣中冷卻。此外,為保證彎頭和管道焊接后消除應力熱處理后的力學性能,還需從彎頭截取試樣在模擬消除應力熱處理(SSRHT)狀態進行力學性能測試。SSRHT 工藝流程為:試樣從室溫以105 ℃·h－1的速率加熱到610℃(當溫度高于350℃時,加熱速率不超過137.5 ℃·h－1),在610 ℃保溫3.5 h后,從610 ℃以105 ℃·h－1的速率降溫到340 ℃,最后出爐在靜止的空氣中冷卻。

根據RCC-M (2000 版＋2002 補遺＋2005 補遺)《核島機械設備設計和建造規則》,當材料服役溫度高于250 ℃時,應進行室溫拉伸試驗和300 ℃下的高溫拉伸試驗來測試材料的拉伸性能。當材料的服役溫度為室溫至250 ℃時,其拉伸性能的測試目前尚無相關標準。為此,筆者以核電站主蒸汽系統用P280GH 鋼推制彎頭為研究對象,對不同熱處理狀態試樣在不同溫度下進行拉伸試驗,研究了試驗溫度對不同熱處理狀態P280GH 鋼彎頭拉伸性能的影響,為給服役溫度范圍為室溫至250 ℃的材料的拉伸性能測試提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

從主蒸汽系統爐號為D171213-1,D171213-2,D171214-1的3 個P280GH 鋼推制彎頭上截取試樣,試樣分別編號為1,2,3號,使用ARL3460型直讀光譜儀進行化學成分分析。

從彎頭一端與熱處理端面距離為32 mm處截取試料,試料分別經過HTMP和HTMP＋SSRHT 處理后,按照GB/T 228.1－2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》,沿周向截取R4圓形橫截面拉伸試樣,拉伸試樣示意圖如圖1所示。取自爐號為D171213-1,D171213-2,D171214-1彎頭HTMP狀態的拉伸試樣分別編號為4-1,5-1,6-1號,HTMP＋SSRHT狀態的拉伸試樣分別編號為4-2,5-2,6-2號。按照GB/T 228.1－2010,使用MTS-SHT5305型電液伺服萬能材料試驗機對上述試樣在25,50,100,150,200,250,300,316℃下進行拉伸試驗。

圖1 P280GH 鋼彎頭拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of P280GH steel elbow tensile specimen

對4-1,4-2號試樣沿端部截取金相試樣,試樣經過打磨、拋光,用體積分數為4%的硝酸酒精浸蝕1～3 s后用酒精擦干且熱風吹干后,采用SK2208L型光學顯微鏡進行顯微組織觀察。對不同溫度下進行拉伸試驗后的4-1,4-2 號拉伸試樣取樣,使用Hitachi-3400N 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的微觀形貌,并用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)進行微區成分分析。

2 試驗結果

2.1 化學成分

1,2,3號試樣的化學成分分析結果如表1 所示,可見3 個試樣的化學成分較接近且均符合RCC-M(2000 版＋2002 補 遺＋2005 補 遺)對P280GH 鋼的技術要求,其中硫、磷等有害元素的質量分數均遠小于標準值,1,2,3號試樣的碳當量分別為0.46%,0.47%,0.48%,均符合上述標準對碳當量的要求(不大于0.48%),從而保證了材料具有良好的加工性能。

表1 不同試樣的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of different specimens（mass fraction） %

2.2 拉伸性能

由圖2可見,當溫度低于250 ℃時,4-1,4-2號拉伸試樣幾乎不變色;當溫度為250 ℃時,4-1,4-2號拉伸試樣存在輕微氧化變色;當溫度為300℃時,4-1,4-2號拉伸試樣變藍,4-2號拉伸試樣的藍色更明顯;當溫度為316 ℃時,4-1,4-2號拉伸試樣均殘存一定的藍色,但比300 ℃時的顏色要淺。在相同溫度下,5-1,5-2,6-1,6-2號拉伸試樣有類似形貌。

圖2 不同試樣在不同溫度下拉伸試驗后的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of different specimens after tensile test at different temperatures

由于3個爐號的拉伸試樣在不同溫度下和不同熱處理狀態下的載荷-位移曲線具有相似的規律,因此僅分析HTMP狀態下4-1號試樣的載荷-位移曲線(位移為試樣伸長量),如圖3所示。可見當溫度低于250 ℃時,4-1號拉伸試樣的載荷-位移曲線有明顯的屈服齒;當溫度高于或等于250 ℃時,4-1號拉伸試樣的載荷-位移曲線無明顯的屈服平臺或屈服齒。

圖3 不同溫度下4-1號拉伸試樣的載荷-位移曲線Fig.3 Load-extension curves of No.4-1 tensile specimen at different temperatures

碳鋼材料的拉伸試驗曲線一般包括3個階段:彈性變形階段、彈塑性變形(屈服)階段和塑性變形階段。在彈性變形階段,材料的應力與應變成正比,應力去除后變形消失;在彈塑性變形階段,材料的應力與應變間的正比例關系被破壞,出現屈服平臺或屈服齒,應力去除后變形部分恢復并保留部分殘余變形,此時對應材料的屈服強度,對于無明顯屈服過程的金屬材料,規定以產生0.2%殘余變形的應力值為屈服強度。在彈塑性變形階段[2-4],材料內部首先發生晶粒的相對運動和互相偏轉,使不同取向的晶粒與力軸取向合適,以保證多晶體中的不同晶粒能夠協同變形;當不同晶粒的相對移動和相互偏轉完成后,所有晶粒沿特定滑移系開始變形,材料進入均勻的塑性變形階段。反映到載荷-位移曲線上,隨著外力不斷增加,當外力等于晶粒發生相對運動和互相偏轉的阻力時,晶粒開始發生協調變形,此時形成屈服平臺,且試驗溫度越低,該過程越長,屈服平臺越明顯;當溫度升高,如超過250 ℃時,晶粒變形協調阻力變小,使該過程變短,此時屈服平臺不明顯,表現為無屈服平臺或屈服齒。在塑性變形階段,滑移位錯在遇到晶界時,會受阻并塞積阻礙滑移的進行,此時需要更大的外力才能使位錯通過,所以表現為隨著載荷不斷增加材料發生變形[5]。

由圖4可見,HTMP狀態下拉伸試樣的平均屈服強度和平均抗拉強度高于HTMP＋SSRHT 狀態下拉伸試樣的;隨著溫度的升高,兩種狀態下平均抗拉強度均先降后增,在200 ℃時達到最小值;在HTMP狀態下,300 ℃和316 ℃時拉伸試樣的平均抗拉強度接近;隨著溫度的升高,在兩種狀態下平均屈服強度持續降低,在300℃時達到最小值,且平均斷后伸長率均呈下降趨勢;在HTMP 和HTMP＋SSRHT 狀態下抗拉強度達到最小值時溫度分別為300,250 ℃。由于圖4為拉伸試樣抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率的平均值變化曲線,因而不排除由于拉伸試樣或試驗過程存在誤差,個別試驗結果和上述規律存在差異。

圖4 在HTMP和HTMP＋SSRHT狀態下拉伸試樣的抗拉強度平均值、屈服強度平均值、斷后伸長率平均值隨溫度的變化曲線Fig.4 a）average tensile strength，b）average yield strength and c）average elongation after fracture vs temperature curves of tensile specimens under HTMP and HTMP＋SSRHT

2.3 顯微組織

由圖5可見,4-1,4-2號拉伸試樣的顯微組織相似,均為鐵素體和珠光體且為等軸晶。根據GB/T 6394－2017《金屬平均晶粒度測定方法》,得到兩種試樣的晶粒度為8級。在HTMP和HTMP＋SSRHT狀態下拉伸試樣的顯微組織相似,這是因為P280GH鋼的模擬消除應力熱處理溫度低于共析轉變溫度,因此不會發生共析相變,且材料晶粒度也不會改變。

圖5 4-1號和4-2號拉伸試樣的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of No.4-1 and No.4-2 tensile specimens

2.4 微觀形貌

由圖6可見,不同溫度下拉伸后4-1號拉伸試樣的組織均為鐵素體＋片層狀珠光體,珠光體的片層間距約為450 nm;4-2號拉伸試樣組織中有針狀相析出,部分沿片層狀珠光體析出(見圖6d)),部分沿晶內鐵素體析出(見圖6f))。圖6f)中A 位置和表2分別為該針狀析出相的EDS分析位置和分析結果,可知析出相為碳化物。

圖6 不同溫度下拉伸后4-1號和4-2號拉伸試樣的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of（a，c，e，g）No.4-1 and（b，d，f，h）No.4-2 tensile specimens at different temperatures

表2 4-2號拉伸試樣析出相的EDS分析結果(質量分數)Tab.2 EDS analysis results of precipitates in No.4-2 tensile specimen（mass fraction） %

3 分析與討論

3.1 平衡相圖分析

使用Thermo-Calc熱力學計算軟件對表1中1號試樣的化學成分數據進行分析并計算得到P280GH 鋼的平衡相圖,如圖7所示。可見當溫度降低到1520 ℃時,鋼液開始凝固并析出δ鐵素體,隨著溫度繼續降低,鋼液和δ-鐵素體發生包晶反應,并在1480℃時全部轉變為γ-奧氏體;當溫度為810～1480 ℃時,材料組織均為γ-奧氏體,因而P280GH 鋼一般選擇在900 ℃進行正火,以保證在該溫度下基體均為γ-奧氏體,從而完成奧氏體化;當溫度降低到810 ℃時,γ-奧氏體開始轉變為α-鐵素體;當溫度降低到700 ℃時,Fe3C開始析出,這表明剩余γ-奧氏體開始發生共析轉變,即轉變為P珠光體(α-鐵素體＋Fe3C 滲碳體);當溫度降低到680 ℃時,剩余γ-奧氏體全部轉變為P珠光體;當溫度降低到620 ℃時,有碳化物M23C6析出;當溫度繼續降低到605 ℃時,有石墨析出。

3.2 顯微組織變化對拉伸性能的影響

3.2.1 顯微組織變化

由微觀相貌和平衡相圖分析結果可知,P280GH 鋼在HTMP 狀態正火后空冷的過程中,當溫度降低到810 ℃時,材料中γ-奧氏體開始轉變為α-鐵素體,當溫度繼續降低到700 ℃時,剩余的γ-奧氏體開始轉變為珠光體,當溫度降低到680 ℃時,γ-奧氏體全部轉變為珠光體。當P280GH 鋼進行SSRHT 處理后,材料中部分珠光體分解,且有碳化物沿著珠光體片層及在α-鐵素體內析出,該碳化物含有鉻、鉬、鐵。石墨析出較慢且在600℃析出量也很少,因而未發現有石墨析出。

圖7 P280GH 鋼的平衡相圖Fig.7 Equilibrium phase diagram of P280GH steel：a）whole；b）local amplification

3.2.2 顯微組織變化對拉伸性能的影響

由圖4可知,隨著溫度升高,材料的抗拉強度會先降低后升高,屈服強度會持續降低,斷后伸長率呈下降趨勢。結合圖2中不同溫度下的拉伸試樣表面的顏色可知,P280GH 鋼在300℃下發生了“藍脆”,且具有如下規律:

(1)“藍脆”發生時的溫度(以下稱為“藍脆”溫度)為300 ℃。

(2)隨著溫度升高,“藍脆”溫度下材料抗拉強度明顯增加,但是屈服強度仍降低。

(3)材料在HTMP狀態下斷后伸長率在“藍脆”溫度下最小,而材料在HTMP＋SSRHT狀態下斷后伸長率則在接近“藍脆”溫度的250℃下達到最小。

關于碳鋼及低合金鋼“藍脆”現象的相關研究[5-8]表明,材料在較高溫度下的拉伸變形中,隨著溫度升高,點陣原子的活動能力增加,晶體中不同晶粒的協調變形抗力下降,使材料的屈服強度隨著溫度升高而持續降低;隨著材料拉伸變形量的增加,在均勻變形的滑移階段,已開動的位錯會被可擴散的間隙原子(碳原子)錨定,形成柯氏氣團;柯氏氣團的存在使位錯移動困難,這是因為位錯只有從氣團中掙脫或者拖著氣團一起前進才能繼續運動;為了使形變繼續進行必須開動新的位錯,這造成在給定的應變下位錯密度增高,導致抗拉強度升高而斷后伸長率降低。

P280GH 鋼在HTMP狀態下的屈服強度和抗拉強度高于HTMP＋SSRHT 狀態下的,這是因為材料經模擬消除應力熱處理后,會有少量珠光體溶解及微量碳化物析出。由于阻礙位錯運動的珠光體片層數量減少[3],導致材料在HTMP 狀態下的屈服強度和抗拉強度略高于HTMP＋SSRHT 狀態下的;考慮到試驗誤差以及組織分布的微觀差異,在少數情況下材料在HTMP狀態下的屈服強度和抗拉強度會低于在HTMP＋SSRHT 狀態下的。

3.3 對材料許用應力取值的影響

根據相關研究[9],反應堆一回路壓力主要設備材料為18Mn D5鋼,其在不同溫度下拉伸試驗中性能的變化也有類似P280GH 鋼的規律,如圖8 所示?？梢婋S著溫度的升高,18Mn D5鋼的屈服強度不斷降低,而抗拉強度先降后增再降,且在350℃達到最大;除個別溫度外,18MnD5鋼在HTMP 狀態下淬火加回火處理后的拉伸強度高于在HTMP＋SSRHT 狀態下的。

圖8 18MnD5鋼在不同溫度下的拉伸性能曲線Fig.8 Tensile properties curves of 18MnD5 steel at different temperatures

在計算容器或管道壁厚時,需使用材料在服役溫度下的許用應力,許用應力由材料在室溫下的屈服強度和抗拉強度、材料在服役溫度下的屈服強度和抗拉強度共同確定。對于P280GH 鋼,根據RCC-M(2000版＋2002補遺＋2005補遺)的規定,其在溫度不大于300 ℃時的許用應力均為118 MPa。但是在P280GH 鋼彎頭的采購技術文件要求中,只要求進行室溫拉伸和300 ℃下的拉伸試驗。而由上述分析可知,如果彎頭的服役溫度為150 ℃,則彎頭在300 ℃下高溫拉伸試驗中的抗拉強度合格,但這不代表其在服役溫度150 ℃下的抗拉強度也合格。

綜上所述,對于碳鋼和合金鋼(如18Mn D5鋼)而言,由于存在“藍脆”現象,使其在不同溫度下的拉伸試驗中,會出現隨著溫度升高,材料的屈服強度降低、抗拉強度先降后增的現象,因此當材料的服役溫度在150～250℃范圍時,為更好地驗證材料性能是否可靠,除進行室溫拉伸試驗外,還應在服役溫度下進行拉伸試驗。

4 結論

(1)P280GH 鋼在HTMP 狀態下組織為鐵素體＋珠光體;經過SSRHT 處理后,部分珠光體分解并伴有碳化物析出,其組織變為鐵素體＋珠光體＋碳化物。

(2)當溫度低于250℃時,P280GH 鋼的拉伸曲線有明顯的屈服齒;當溫度高于或等于250℃時,無明顯屈服齒,且隨著溫度升高,屈服過程越來越不明顯。

(3)P280GH 鋼在HTMP 狀態下的抗拉強度和屈服強度高于HTMP＋SSRHT 狀態下的;P280GH 鋼在HTMP 狀態和HTMP＋SSRHT 狀態下,在溫度從室溫升高到316℃的過程中,抗拉強度先降后增,屈服強度持續降低,在300℃材料出現“藍脆”現象。當材料的服役溫度在150～250℃時,材料應在服役溫度下進行拉伸性能測試。