Zr-4合金管材轧制用芯棒断裂原因分析

2018-06-11供稿石鸿瑞王伟施迁

金属世界 2018年3期

供稿|石鸿瑞，王伟，施迁 /

锆合金因具有热中子截面吸收率小和优异的抗腐蚀性能，所以常用于核反应堆的燃料包壳管材料和结构材料[1]。目前，锆合金管材主要采用皮尔格冷轧管机生产。该设备通过周期往复运动的形式实现锆合金管材的变形[2-5]。芯棒是管材轧制工模具之一，在某产品锆合金管材的轧制过程中，出现了芯棒断裂的现象(如图1所示)，直接导致轧制出来的锆合金管材内表面出现裂纹缺陷(如图2所示)。在堆内恶劣的条件下，这些含有缺陷的包壳管若服役于反应堆则会直接导致核泄漏，危及核安全。本文通过对芯棒材料进行化学成分、金相组织观察、扫描观察及硬度实验和表面低倍观察实验，分析得出芯棒异常断裂根本原因，有效地提高了核级锆管产品稳定性，为核反应堆的质量提高和安全奠定基础。

图1 断裂芯棒

图2 锆合金管材内壁裂纹缺陷

实验

化学元素分析

芯棒的材料为ASMT A8，选取断裂部位的芯棒采用光谱仪进行化学元素分析，将其检测结果与ASMT A8标准要求进行对比。

金相组织观察

选取断裂芯棒的端面试样，依次在200#、400#、600#及800#砂纸将样品磨平，然后依次利用混合酸(45%H2O+45%HNO3+10%HF，混合酸各成分比例为体积分数)对试样进行酸洗，然后利用吹风机对试样表面进行喷吹。最后采用光学显微镜对试样外层和内部的晶粒度进行观察。

电镜组织观察

利用线切割取芯棒断口位置试样并清洗，选取断裂芯棒的端面试样，采用扫描电镜(SEM)分别对芯棒断裂部位进行电镜观察。

硬度实验

选取断裂芯棒的端面试样，采用维氏显微硬度计测定芯棒的显微硬度，选择的载荷为300 g，饱载时间为10 s，最后得出维氏显微硬度的单位为HV300/10。沿着芯棒芯部至边部的方向每隔25 µm测量一次硬度值。

表面观察

先对芯棒表面用酒精进行清洗，然后使用体式显微镜对芯棒表面进行观察。

结果与分析

化学成分分析

发生断裂现象的芯棒材料为ASMT A8，属于冷作模具钢[2]。在失效的芯棒上进行取样化验分析，表1为断裂后的芯棒化学成分检测结果。由表1可知，断裂芯棒钢材化学成分满足ASTM A8钢的化学成分标准要求。

金相组织观察

图3为断裂芯棒内外部金相组织观察实验结果。从图3可见，芯棒组织内外部晶粒组织均为淬火态的残余马氏体和碳化物组织，晶粒尺寸为10～15 µm。此外，从图3(a)和(b)可见，芯棒外部至心部的金相组织均匀分布，未发现晶粒异常粗大现象，也未出现“贫碳”或“富碳”现象。

表 1 芯棒材料成分(质量分数，%)

图3 芯棒显微组织

电镜观察

图4为芯棒断裂部位的扫描电镜观察结果。从图4可见断口形貌图上可以观察到疲劳区、疲劳裂纹扩展区和快速断裂区，并且有较明显的的放射棱和贝纹。通过扫面电镜，在芯棒断口上也观察到了二次裂纹源和韧窝，如图2(c)(d)所示。二次裂纹源是由较大的载荷引起的，主要是由于皮尔格冷轧管过程中，之前萌生的主裂纹源会扩展，减小了芯棒有效承载面积，降低芯棒强度。在周期式冷轧管机正行程和反行程交换的过程中，芯棒卡爪会带动芯棒旋转一个角度，使得芯棒某些位置出现了承力薄弱区域，这些区域极易形成二次裂纹并扩展。韧窝是在外力作用下，在基体与碳化物、夹杂物之类的界面处引起，或在显微疏松及微裂纹之类的缺陷处产生，并且在裂纹尖端前沿三向应力条件下长大并集聚，在拉应力作用下发生屈服变形[3]。而韧窝是由试样断裂时塑性变形产生的。因此，芯棒断裂部位的裂纹萌生于芯棒的外表面，轧制过程中芯棒在循环交替变应力作用下，裂纹不断扩展，最终导致了芯棒疲劳断裂。

硬度观察

芯棒端面硬度实验位置图和硬度实验结果分别如图5和图6所示。从图6可见，芯部断裂芯部和边部的硬度值趋势基本保持一致，平均硬度约为641HV300/10，满足芯棒制造使用要求。

图4 断口形貌

表面低倍观察

芯棒表面实验低倍观察结果如图7所示。从图7可见，芯棒低倍表面主要呈现点状坑、沟状缺陷以及轴向划痕。这些缺陷主要集中在芯棒变形区域。核级锆管主要采用SMS公司生产的皮尔格冷轧管轧机[5]。皮尔格冷轧管机工作时，其借助于曲柄连杆机构作往复运动，管坯通过上料机构被固定在芯棒上，通过孔型和芯棒之间的相互作用，使管材实现外径和壁厚的减小，最终实现锆合金管材的轧制。芯棒作为两辊周期冷轧管机生产用的主要工模具，在管材生产过程中，由于芯棒要受到交替应力影响，对其强度和耐磨性有较高要求。通过上述分析可以，芯棒材料、制造工艺和显微组织满足技术要求，但芯棒表面存在点蚀深坑和加工痕迹。芯棒发生断裂主要原因是其表面存在部分加工痕迹和点蚀深坑，轧制过程中芯棒受到轧制力，细小的裂纹逐渐在芯棒表面加工痕迹或者点蚀深坑处萌生，并逐渐扩展。当裂纹扩展到一定尺寸后，在轧制力作用下，芯棒发生断裂[6-8]。