核电设备用碳钢和低合金钢的断裂韧性设计的研究

王谊清+++李辉

摘 要：本文主要是关于核电设备用碳钢和低合金钢的断裂韧性设计的研究。化学成分、热处理工艺、材料缺陷以及试验的取样情况都有可能对断裂韧性试验结果造成影响。设计核电设备材料时，可通过夏比冲击试验和落锤试验考核碳钢和低合金钢的断裂韧性，还应充分考虑影响材料韧性的各种因素，制定合适的技术要求。

关键词：韧性；冲击；落锤

中图分类号：TM623 文献标识码：A

0.引言

核电厂中的核级承压设备用到了大量碳钢和低合金钢材料，其中，良好的断裂韧性是其重要的要求之一。目前已有很多关于材料断裂韧性的研究，影响材料韧性的因素有很多，有些是材料本身特征方面的因素，有些是试验条件影响了试验结果。在以美标为基础的核电设备用碳钢和低合金钢的设计中，制定怎样的试验要求来考核断裂韧性，又应提出哪些其他要求来确保材料具有良好的韧性，这是本文研究的意义所在。

1.影响材料韧性的相关研究

1.1化学成分的影响

实验表明，加Nb的碳钢晶粒较细，使材料具有较好的断裂韧性，元素Ce也可以起到增强韧性的作用。此外，还有其他元素也可起到细化晶粒，增强材料韧性的作用。化學元素可以增强材料韧性的主要因素是在热处理时，可增加晶粒形核数量，阻碍晶粒长大，细化了晶粒。

1.2 热处理工艺的影响

有研究发现，在12Cr2Mo1锻件法兰进行力学性能检测时，-30℃低温冲击试验不合格。通过对试样进行理化分析，发现工件热处理条件是造成低温性能不合格的关键因素。此外，还有相关研究，可知材料热处理工艺是影响韧性的重要因素之一。因此，材料热处理时，应保证有合适热处理工艺，以使材料具有较好的微观组织，进而获得良好的断裂韧性。

1.3 材料缺陷的影响

夹杂物、裂纹、孔洞等缺陷，都有可能造成材料性能的下降。例如，有实验发现非金属夹杂物硫化锰导致了材料韧性降低。缺陷的存在使晶粒不连续，晶粒间的作用力降低，断裂更容易发生。在材料制造过程中需要控制材料品质，尽量减少缺陷对材料性能的影响。

1.4 试验条件的影响

材料发生断裂时的冲击功随着温度增加而增加。试验温度对所进行的试验的冲击功有影响。材料的取样位置和方向也会影响试验所得的冲击功值。试验发现Q390GJD-Z25钢板纵向缺口的冲击功高于横向缺口的冲击功，1/4厚度处的冲击功高于厚度中心处的冲击功。

综上，既有化学成分、热处理工艺、材料缺陷等内因会影响材料断裂韧性，又有试验温度、试样位置和方向等外在因素也可能对冲击试验结果造成影响。因此，在核电工程设计中，应充分考虑各种因素，以设计制定合理的核电设备用碳钢和低合金钢技术条件。

2.核电设备碳钢和低合金钢对断裂韧性的要求

2.1 夏比冲击试验

夏比冲击试验是最为常用的断裂韧性试验，测量试样断裂后所吸收的能量、侧向膨胀量或观测脆断断口占断裂表面的百分数。夏比冲击试验需要规定材料的状态、取样位置/方向/数量、试验方法、验收值、复试要求等。核电设备用碳钢和低合金钢的冲击要求需要参考ASME Boiler &Pressure Vessel Code第II卷A篇中某些标准对冲击性能的要求，如：SA-350中的LF2 Cl.1锻件需要在-46℃进行夏比冲击试验，一组3个试样的平均吸收功不能低于20J，最小吸收功不能低于16J；此外，第III卷NX分卷中的2300节中，对材料夏比冲击试验也有具体要求，根据材料的规范等级不同，各分卷的要求存在差异，一般材料的核安全等级越高，对夏比冲击试验的验收要求越高，具体举例如：核3级的LF2 Cl.1锻件，参考NC-2300，厚度在16mm～25mm，设计给出的最低使用温度以下进行夏比冲击试验，一组3个试样的平均吸收功不能低于27J，最小吸收功不能低于20J。综上，SA-350 LF2 Cl.1锻件的夏比冲击要求既应该满足第II卷中的要求，同时也应该满足第III卷中的要求，其他材料也是通过此种方式制定夏比冲击试验验收要求。

2.2 落锤试验

落锤试验同夏比冲击试验一样，可以考核并反映材料的断裂韧性。落锤试验用于确定材料的无塑性转变温度NDT。在规定的试验温度下至少试验两个落锤试样，如果所有试样均未断裂，则表明材料的NDT温度低于该规定的温度，如果一个或多个试样均断裂，则表明材料的NDT温度不低于该规定的温度。核电设备用碳钢和低合金钢的落锤试验同夏比冲击试验一样需要规定取样、验收和试验方法等要求。在设计时，同样需要参考ASME Boiler &Pressure Vessel Code第III卷NX分卷2300节中的相应规定。对于核1级设备用材料需要参考第III卷NB分卷，厚度超过16mm的碳钢和低合金钢即要求必须进行落锤试验，核2级和MC级设备用材料参考NC或NE分卷，厚度不超过64mm可不进行落锤试验，对于核3级设备和支撑件用材料参考ND或NF分卷，可不进行落锤试验。在设计落锤试验中，需要测出材料无塑性转变温度，或进行验证性试验，如：对于厚度超过64mm的核2级碳钢和低合金钢材料，应保证5℃+（A–LST）的温度以下两个落锤试样均不断裂，其中LST为材料最低使用温度，A为ASME第III卷附录R规定的与材料厚度有关的一个参数。

2.3 其他要求

核级材料设计时还需对材料制造、化学成分、金相检验、表面质量、内部质量的要求进行规定。制造过程中的冶炼、成形、热处理等关系到材料性能，与前文提到的影响材料断裂韧性的各因素密切相关。除了以上提到的夏比冲击试验和落锤试验，设计文件中还需要求进行其他检测，其中，熔炼分析和成品分析用于控制材料化学成分和偏析；金相检验可避免因晶粒过粗或非金属夹杂物导致的材料性能降低；无损检测可尽量避免材料内部和表面各种缺陷诱导的材料脆断。

结语

化学成分、热处理工艺、材料缺陷等内在因素会影响材料断裂韧性，试验温度、试样位置和方向等外在因素可能对试验结果造成影响。在核电设备的碳钢和低合金钢材料设计中，可以通过夏比冲击试验和落锤试验考核断裂韧性，还要充分考虑影响材料韧性的各项因素，从冶炼、成形、热处理和各种检测试验来对材料性能进行控制。

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