焊后热处理保温温度和时间对SA-508Gr.3Cl.2锻件力学性能的影响

冶金辉　李宏艳

摘要：研究了核电用锻件经不同的焊后热处理工艺参数后力学性能的变化，结果表明：焊后热处理后锻件综合性能均有所下降，保温温度对锻件屈服强度影响较大，随着温度的提高，锻件屈服强度呈下降趋势，尤其是高温屈服强度。保温时间对锻件NDTT影响较大，随着保温时间的延长，锻件NDTT降低。模拟焊后热处理温度和时间对锻件冲击韧性影响规律不明显。

关键词：SA-508Gr.3Cl.2锻件;焊后热处理;力学性能

中图分类号：TG40

文献标识码：A

文章编号：2095-6487（2019）01-0047-03

0引言

三代核电蒸汽发生器用SA-508Gr.3Cl.2锻件设计文件规定锻件试料要经受595～621°C，保温48小时的模拟焊后热处理。锻件制造厂制造的锻件均采用温度下限进行模拟焊后热处理，实际制造过程中核电产品主环缝焊后热处理过程中存在偏差，甚至存在超出上述温度界限的情况，核电产品要求避免一切安全隐患，通过研究锻件在不同模拟焊后热处理制度对产品性能的影响，为实际生产提供技术支持，制定更为合理的工艺规范。

1试料及热处理规范

1.1试料及模拟焊后热处理规范

本试验仅研究在设定的温度和时间范围内锻件力学性能的变化趋势，不考虑原始材料的化学成分和力学性能。切取10块尺寸为：270mm（弧长）×240mm（宽度）×460mm（高度）的试料。采用下述工艺分别对试料进行模拟焊后热处理（简称SPWHT）

热处理工艺规范1：不同保温温度，相同保温时间：在595～621°C区间内，每隔5°C设定一个名义保温温度;保温时间：48h;300°C以上升降温速率≤55°C/h。

热处理工艺规范2：相同保温温度，不同保温时间：选定610°C作为名义保温温度（大生产常用温度），保温时间：分别为10h，20h，30h，40h，48h;300°C以上升降温速率≤55°C/h。

2试验及结果

按照核电项目设计和采购文件的要求，对经模拟焊后热处理后的试料进行室温和、350°C拉伸（测定屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、延伸率A以及断面收缩率Z）、-20°C冲击、硬度以及落锤试验，同时对选取的试样进行了透射电镜。

2.1规范1的锻件力学性能

拉伸试验：随着SPWHT温度的升高，试料的Rp0.2和Z均呈下降趋势，Rm和A下降趋势不明显;在605°C时，试件的Rp0.2和Z达到峰值，Rm和A在介于最高值和最低值之間;350°C拉伸Rp0.2和Z在605°C～615°C区间呈下降趋势;Rm和A变化趋势不明显;冲击试验：随着SPWHT温度的升高，冲击韧性呈上升趋势，在615°C时冲击韧性相对最佳;落锤试验：随着SPWHT温度的升高，NDTT呈下降趋势，在610°C时NDTT达到峰谷;随后随着温度的升高，NDTT呈上升趋势，整体变化趋势不明显。

2.2规范2的锻件力学性能

拉伸试验：随着SPWHT保温时间的延长，锻件室温Rp0.2和Rm在保温10h～20h呈下降趋势，随保温时间延长变化不大;锻件A和Z变化不大;350°C拉伸Rp0.2和Rm呈下降趋势，在48小时后Rp0.2下降最为明显;锻件A和Z变化较复杂，与保温时间无对应变化规律;冲击试验：随着SPWHT保温时间的延长，锻件冲击韧性先下降后上升，保温40h时锻件的冲击韧性最佳;落锤试验：锻件NDT温度呈下降趋势，且下降趋势明显。

3试验结果分析

如图1所示，供货态锻件基体上的碳化物基本呈球状，且均匀弥散分布，这些碳化物源于SA-508Gr.3Cl.2钢中含有的微量合金元素Ti、Nb、V等与碳、氮等元素结合形成化合物。这些化合物在钢受热时溶解，在锻造过程中随温度的降低而析出，析出相在基体中形成应力场，应力场和运动位错之间的交互作用使基体强化。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动，产生显著的强化作用。第二相粒子越细小，分布越弥散，间距越小，则强化效果越好。

与图1相比，图2中经595°C，保温48h后，基体上的第二相粒子明显长大，数量明显增多，且形状已经由球状变成椭球状，经620°C，保温48h后，相比595°C，基体上的第二相粒子明显长大，数量增多，部分晶界上有少量条状碳化物析出。由此可见，锻件基体上的第二相粒子随模拟焊后热处理温度的升高而长大，数量增多，且形状由球状变为椭球状。

与图1相比，图2中经610°C，保温10h处理后的试样基体上的第二相粒子数量增多，尺寸长大，且呈椭球状或圆棒状分布。经610°C，保温48小时处理后，基体上析出的第二相粒子数量增多，尺寸长大，几乎全部呈圆棒状分布，部分已经连接成串。

基体上的第二相粒子的析出，使材料的强度得以提高，属于第二相粒子强化中的“弥散强化”。这种强化的主要作用是高度分散的质点成为障碍物，阻碍滑移过程的位错运动，从而增强了塑性变形的抗力。第二相质点愈细，愈多，则位错线愈不易弯曲，从而需克服位错线张力所引起的相对阻抗愈大，强化效果愈好，反之，若质点聚集、粗化，则金属的强度便降低[1]。一般认为[2，3]，第二相粒子的尺寸越大，材料的极限塑性越低;与球状碳化物相比，圆棒状的碳化物对材料极限塑性的降低影响更大，从试验结果分析：按规范1处理的试料，第二相粒子数量增多，尺寸增大，材料的强度及塑性均有下降趋势（高温Rp0.2下降明显）;按规范2处理的试料，随着时间的延长，第二相粒子的数量增多，尺寸增大，且在晶界局部析出，材料的强度及塑性降低较明显，材料韧性有所提高。

4结束语

焊后热处理后锻件综合性能均有所下降，其主要原因是随着模拟焊后热处理的进行，一方面锻件中合金元素以合金碳化物的形式析出并长大，另一方面钢中固溶合金的含量减少，降低了SA-508锻件固溶强化的效果。

焊后热处理保温温度和保温时间对锻件力学性能有着不同的影响，模拟焊后热处理保温温度对锻件Rp0.2影响较大，随着模拟焊后热处理温度的提高，锻件Rp0.2降低，尤其是高温屈服强度。模拟焊后热处理保温时间对锻件NDTT影响较大，随着保温时间的延长，锻件NDTT降低。模拟焊后热处理温度和时间对锻件冲击韧性影响规律不明显。

参考文献

[1]姚素兰.金属材料强化机理的探讨[J].内蒙古农牧学院学报1992（6）：52-54.

[2]王晓敏.工程材料学[M].北京：机械工业出版社，1999.

[3]李颖，唐豪清.热处理保温时间对25Mn2钢力学性能和显微组织的影响[J].理化检验，2009（8）：467-470.