核電用鋼鐵材料落錘試驗過程的控制要點分析

劉 宇

(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司,秦皇島 066206)

落錘試驗主要用于測定或驗證鐵素體材料的無塑性轉(zhuǎn)變溫度TNDT，該轉(zhuǎn)變溫度最初于1952年由美國海軍研究所在爆炸鼓脹試驗的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，經(jīng)過進一步的完善和發(fā)展，1963年落錘試驗方法被列入了美國材料試驗協(xié)會標準。我國也于1986年制定了落錘試驗方法GB/T 6803-1986《鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗方法》，并在2008年進行了修訂。目前，通過落錘試驗來確定鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度已成為評價鋼鐵材料在動態(tài)載荷下發(fā)生裂紋擴展、傳播的有效評估指標，在電力、船舶、石化壓力容器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對于在輻照環(huán)境下運行的核電設(shè)備用鋼鐵材料，隨著服役年限的增加，材料的塑性會不斷下降，容易引起脆性斷裂[1]。因此，目前國內(nèi)設(shè)計及制造的核電主設(shè)備無論是華龍一號、CAP1400還是AP1000核電機組，對于核一級主設(shè)備，包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等，都對相應(yīng)基體結(jié)構(gòu)部件的無塑性轉(zhuǎn)變溫度提出了明確的驗收要求。

目前，在核電蒸汽發(fā)生器及穩(wěn)壓器的原材料鍛件采購驗收過程中，時常發(fā)現(xiàn)原材料制造廠給出的TNDT值與入廠驗收試驗得到的TNDT值不一致的情況，即同種材料因不同試驗室試驗過程控制的不同而導(dǎo)致了試驗結(jié)果的不同。針對這一問題，筆者從落錘試驗的基本要求出發(fā)，結(jié)合筆者單位的具體試驗操作，對核電用鋼鐵材料落錘試驗的過程控制要點進行了歸納總結(jié)，旨在規(guī)范落錘試驗從制樣到具體試驗操作的整個試驗過程，提高落錘試驗的準確性及試驗結(jié)果的一致性。

1 試驗要求

根據(jù)試驗標準GB/T 6803-2008[2]及ASTM E208-20[3]的相關(guān)說明，落錘試驗是指在規(guī)定大小的試樣縱軸線中心位置堆焊出一定長度的單條裂紋源焊道，并在裂紋源焊道的中心開出缺口，以制備出符合要求的落錘試驗試樣，將試樣在規(guī)定試驗溫度保溫一定的時間后放在專用的試驗砧座上，根據(jù)材料的屈服強度選取指定的沖擊能量，通過錘頭的自由落體運動對試樣施加單一的沖擊載荷，以5 ℃為試驗溫度間隔測得落錘試樣斷裂的最高溫度即為材料的無塑性轉(zhuǎn)變溫度。

2 試樣制備

史巨元[4]在《鋼的動態(tài)力學(xué)性能及應(yīng)用》中指出，脆性斷裂不受加工方向的影響，所以TNDT溫度與鍛軋方向無關(guān)，即不受試樣取樣方向的影響。TNDT溫度主要與材料本身的顯微組織密切相關(guān)，如晶粒尺寸和顯微組織的變化對鋼的TNDT溫度有很大的影響;其次是試樣的制備和試驗條件的影響，在早期TNDT測試試驗中，由于試樣制備(堆焊過程的控制)、試驗技術(shù)及設(shè)備條件的影響，試驗結(jié)果最多可相差20 ℃[5]。因此在試樣的制備過程中要重點考慮影響試樣顯微組織的因素及堆焊過程的控制。

2.1 取樣位置

由于目前需測定TNDT的核電用金屬材料大多為大型低合金鋼鍛件，受熱處理過程及鍛壓加工過程的影響，貼近材料熱處理表面的基體顯微組織與靠近材料心部的顯微組織存在一定的差異，因此在試樣的制備過程中，應(yīng)嚴格控制落錘試樣在基體中的位置，坯料切取后應(yīng)在堆焊裂紋源焊道的一側(cè)標記出明顯的標識，以免因檢測面的不同而導(dǎo)致試驗結(jié)果產(chǎn)生差異。

2.2 堆焊過程

郭平、黃騰飛等[1,6]研究發(fā)現(xiàn)調(diào)整堆焊裂紋源焊道的焊接參數(shù)，如焊接電壓、焊接電流、焊接速度和焊接用焊條的直徑，會使裂紋源焊道的寬度和高度有所不同，進而導(dǎo)致不同的TNDT值，即堆焊裂紋源焊道的高度越低，寬度越窄，試驗得到的TNDT值越低。

趙登志等[7]研究發(fā)現(xiàn)，對于SA-508-3鋼，裂紋源焊道長度也會對TNDT值產(chǎn)生一定的影響，相同條件下70 mm的裂紋源焊道得到的試驗結(jié)果較20 mm的裂紋源焊道得到的試驗結(jié)果低5～10 ℃。

關(guān)于裂紋源焊道的具體尺寸，GB/T 6803-2008沒有給出嚴格的尺寸要求，而ASTM E208-20給出的尺寸更加寬泛，對于常用的P-3型試樣具體要求及對比見表1。因此，為了得到一致的試驗結(jié)果，每次試驗時要考慮到堆焊裂紋源焊道的尺寸，使之保持一致。

表1 對P-3型試樣裂紋源焊道的要求對比Tab.1 Requirements comparison of weld bead of crack source for P-3 specimen

3 試驗操作

相同方法制備得到的試樣，由于試驗設(shè)備的對中性、溫控裝置的準確性及試驗操作人員具體操作規(guī)范與否等因素都會影響落錘試驗的結(jié)果，下面從試驗操作的4個方面具體進行分析。

3.切實發(fā)揮好四個作用。黨員領(lǐng)導(dǎo)干部在市場開拓中要發(fā)揮好“管理協(xié)調(diào)”作用，在經(jīng)營創(chuàng)收中要發(fā)揮好“引領(lǐng)激勵”作用，在安全穩(wěn)定中要發(fā)揮好“控制防范”作用，在精細管理中要發(fā)揮好“執(zhí)行表率”作用。切實引導(dǎo)全體干部員工把思想?yún)R聚到打造一流上、智慧集聚到打造一流上、力量凝聚到打造一流上，切實為公司發(fā)展挑重擔、負責任，為員工當先鋒、作表率。

3.1 試驗溫度的選取及保溫

落錘試驗初始試驗溫度一般通過要求值及以往同種材料的試驗經(jīng)驗或參考原材料生產(chǎn)廠家的試驗溫度來設(shè)定，在要求值的基礎(chǔ)上以5 ℃的整數(shù)倍調(diào)整并設(shè)定初始試驗溫度，隨后根據(jù)試樣的斷裂程度，再以5 ℃的整數(shù)倍為間隔調(diào)整并設(shè)定后續(xù)試驗溫度。

試驗用控溫介質(zhì)可以選擇液體或氣體，對于液體介質(zhì)，保溫時間至少為45 min；對于氣體介質(zhì)，保溫時間至少為60 min。測溫用儀器需經(jīng)過計量檢定，并保證控溫誤差在±1 ℃以內(nèi)。保溫過程中需確保試樣之間，試樣與保溫裝置底部和邊緣的距離至少為25 mm。

需要特別注意的是，如果試樣溫度低于規(guī)定試驗溫度，不可以將試樣在保溫容器中直接升溫，而應(yīng)該將試樣取出，使之升高到試驗溫度以上，而后再回到規(guī)定的試驗溫度重新進行保溫。

3.2 落錘沖擊能量的選取

沖擊能量的選擇應(yīng)根據(jù)試樣的類型及其實際的屈服強度來選取。根據(jù)落錘試樣的標準要求，選擇的沖擊能量應(yīng)能夠確保試樣受到?jīng)_擊后，其受拉面與對應(yīng)的砧座終止臺相接觸。需要注意的是，ASTM E208-17標準拓展了屈服強度范圍及對應(yīng)的落錘試驗?zāi)芰浚瑫r對不同屈服強度范圍對應(yīng)的落錘試驗?zāi)芰恳策M行了修改，試驗過程中需要格外關(guān)注。GB/T 6803-2008標準及的ASTM E208-20對不同試樣沖擊能量選擇的要求對比如表2所示。

表2 對不同試樣沖擊能量選擇的要求對比Tab.2 Requirements comparison of impact energy selection for different samples

落錘沖擊后需保證試樣的受拉面與砧座的終止臺相接觸，若試樣受拉面未與砧座的終止臺接觸，對于P-1型試樣，需提高140 J沖擊能量；對于P-2和P-3型試樣，需提高70 J沖擊能量，直到試樣受拉面與砧座的終止臺接觸為止[2]。

3.3 送樣過程的控制

根據(jù)落錘試樣的標準要求，在不影響試樣溫度的情況下，可使用任何便利的方法將試樣從保溫裝置中取出，放入試驗機砧座上進行試驗。如果使用試樣夾鉗來轉(zhuǎn)移試樣，則試樣夾鉗也需要同試樣一并放入保溫裝置中保溫，如果使用橡膠材質(zhì)等保溫手套轉(zhuǎn)移試樣，需要注意轉(zhuǎn)移過程中避免觸碰到裂紋源焊道缺口位置，以免影響試驗結(jié)果。

此外需要格外注意的是，試樣自離開保溫裝置至沖擊的時間不得超過20 s，若整個過程超過20 s仍未沖擊，則應(yīng)該將試樣放回保溫裝置中重新保溫。

3.4 試驗后試樣檢查及結(jié)果判定

3.4.1 試樣受拉面與砧座終止臺的接觸情況

落錘沖擊后需保證試樣的受拉面與砧座的終止臺相接觸，對于18MND5鋼、SA-508Gr.3Cl.2鋼等材料，試驗后試樣的受拉面上，裂紋源焊道的兩側(cè)一般會出現(xiàn)明顯的接觸小平面，如圖1所示，由此判斷試樣的受拉面已與砧座的終止臺相接觸。對于一些不能明確判斷的材料，可以根據(jù)GB/T 6803-2008上給出的方法，在試樣受拉面或砧座終止臺上用蠟筆標記，試驗后檢查二者中未標記的面上是否有蠟筆印痕出現(xiàn)，以此來判斷試樣的受拉面是否與砧座的終止臺相接觸。如圖2所示，受拉面上有明顯的蠟筆染料，所以判斷該試樣已與砧座終止臺良好接觸。

圖1 接觸小平面的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the contact facets

圖2 沖擊后有蠟筆印痕試樣的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of samples with crayon marks after impact

3.4.2 試樣對中情況

GB/T 6803-2008規(guī)定，落錘沖擊過程中需保證試樣橫向中心線、砧座橫向中心線和錘頭軸線處在同一垂直面內(nèi)，偏差不大于±2.5 mm，可以通過沖擊后試樣受拉面與砧座接觸產(chǎn)生的壓痕及試樣受壓面上的壓痕來判斷試樣受到?jīng)_擊后的對中情況。

試樣受到?jīng)_擊后，其接觸兩側(cè)支撐砧座的部位會產(chǎn)生明顯的壓痕，測量兩側(cè)壓痕至試樣端部的距離，其差值不得大于2.5 mm，同時測量試樣背面錘頭沖擊壓痕中心線至試樣兩端部的距離，其差值同樣不得大于2.5 mm，以此來判斷試樣的對中情況。此外，可以根據(jù)試樣與砧座產(chǎn)生的壓痕及錘頭錘擊產(chǎn)生的壓痕線與試樣縱軸線的垂直情況，判斷試樣放置是否發(fā)生沿縱軸線方向的偏轉(zhuǎn)。

3.4.3 試樣斷裂情況

只有在試樣的對中良好、受拉面同砧座有良好的接觸且裂紋源焊道開裂的情況下，才能確認試驗過程有效，進而對試樣的斷裂情況進行判定，否則應(yīng)判定為無效試驗。只要裂紋源焊道形成的裂紋擴展到受拉面的一個或兩棱邊上，即可判定為斷裂。對于受拉面的裂紋傳播到棱邊的所有試樣，無論起點是否在裂紋源焊道上，都應(yīng)判定為試樣斷裂。具體示例如圖3～圖5所示，圖3和圖5試樣均斷裂，圖4試樣裂紋源焊道開裂，而試樣未斷裂。

圖3 一邊斷裂試樣的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the sample with one side fracture

圖4 未斷裂試樣的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the unfractured sample

圖5 兩邊斷裂的試樣宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the sample with both sides fracture

需格外注意的是，部分材料在受到?jīng)_擊后，棱邊部分隱約存在少許黏連，不能夠明確判斷裂紋是否擴展到棱邊，對于試樣是否斷裂容易產(chǎn)生誤判，此時可以在棱邊裂紋處浸透墨水等染料，吹干后將試樣完全壓斷。若斷面棱邊處存在染料，則可判定為斷裂，若斷面棱邊處沒有染料，且有光亮的金屬色，則判定試樣未斷裂。如圖6所示，試樣不能夠明確判斷裂紋源是否擴展到棱邊，在試樣棱邊處用膠頭滴管滴入墨水，使用吹風機吹干后將試樣壓斷，如圖7所示，右側(cè)棱邊存在少許光亮金屬斷面，左側(cè)棱邊全部被墨水浸染，由此可以明確判定試樣斷裂。

圖6 不能明確判斷是否斷裂的試樣的宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of the sample that cannot be clearly judged whether it was fractured or not

圖7 浸染墨水后被壓斷的試樣的宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of the sample that was fractured after impregnation with ink

4 結(jié)束語

(1)落錘試樣的制備及試驗過程的控制都會導(dǎo)致核電用鋼鐵材料落錘試驗結(jié)果的不同，為保證試驗結(jié)果的準確性及一致性，需要嚴格控制試樣的制備，并嚴格按照試驗標準的規(guī)定進行試驗，試驗后仔細判斷試驗結(jié)果的有效性及試樣斷裂情況。

(2)對于影響試驗結(jié)果的裂紋源焊道尺寸，包括裂紋源焊道的寬度、高度及長度，GB/T 6803-2008和ASTM E208-20都沒有作出嚴格的規(guī)定。因此，對于同材質(zhì)同批次材料，為了得到相同的試驗結(jié)果，在保證試驗操作過程控制相同的同時，需要確保堆焊的裂紋源焊道尺寸一致。

(3)后續(xù)的試驗檢測工作中需補充驗證不同裂紋源焊道尺寸對其他材料落錘試驗結(jié)果的影響，進一步明確裂紋源焊道尺寸對落錘試驗結(jié)果的影響，推動現(xiàn)有的落錘試驗標準修訂工作。應(yīng)嚴格規(guī)定裂紋源焊道尺寸，以避免對于同種材料因不同試驗室試驗過程控制的不同而導(dǎo)致試驗結(jié)果的不同，同時也避免不合格的材料應(yīng)用于核電設(shè)備中。