试验温度对不同热处理状态核电站用P280GH 钢弯头拉伸性能的影响

焦少阳,张宏伟,王宝顺,郑 越,路晓晖,崔 岚

(1.中国核电工程有限公司,北京100840;2.核工业标准化研究所,北京100091;3.浙江久立特材科技股份有限公司,湖州313028)

P280GH 钢是核电站中用量最多的碳钢材料,主要用于核电站主蒸汽系统、主给水流量控制系统、辅助给水系统和汽轮机旁路系统等,产品形式包括钢管、钢板、锻件、管件等,工作温度范围为室温至316 ℃。核电站主蒸汽系统弯头通常采用P280GH钢制造,该弯头有锻造和推制两种制造方式,目前推制弯头应用最广泛[1]。为保证P280GH 钢推制弯头的力学性能满足采购要求,需对其进行交货状态(HTMP)的热处理,具体处理工艺流程为:在890 ℃下正火,保温55 min 后在静止的空气中冷却。此外,为保证弯头和管道焊接后消除应力热处理后的力学性能,还需从弯头截取试样在模拟消除应力热处理(SSRHT)状态进行力学性能测试。SSRHT 工艺流程为:试样从室温以105 ℃·h－1的速率加热到610℃(当温度高于350℃时,加热速率不超过137.5 ℃·h－1),在610 ℃保温3.5 h后,从610 ℃以105 ℃·h－1的速率降温到340 ℃,最后出炉在静止的空气中冷却。

根据RCC-M (2000 版＋2002 补遗＋2005 补遗)《核岛机械设备设计和建造规则》,当材料服役温度高于250 ℃时,应进行室温拉伸试验和300 ℃下的高温拉伸试验来测试材料的拉伸性能。当材料的服役温度为室温至250 ℃时,其拉伸性能的测试目前尚无相关标准。为此,笔者以核电站主蒸汽系统用P280GH 钢推制弯头为研究对象,对不同热处理状态试样在不同温度下进行拉伸试验,研究了试验温度对不同热处理状态P280GH 钢弯头拉伸性能的影响,为给服役温度范围为室温至250 ℃的材料的拉伸性能测试提供参考。

1 试样制备与试验方法

从主蒸汽系统炉号为D171213-1,D171213-2,D171214-1的3 个P280GH 钢推制弯头上截取试样,试样分别编号为1,2,3号,使用ARL3460型直读光谱仪进行化学成分分析。

从弯头一端与热处理端面距离为32 mm处截取试料,试料分别经过HTMP和HTMP＋SSRHT 处理后,按照GB/T 228.1－2010《金属材料 拉伸试验第1部分:室温试验方法》,沿周向截取R4圆形横截面拉伸试样,拉伸试样示意图如图1所示。取自炉号为D171213-1,D171213-2,D171214-1弯头HTMP状态的拉伸试样分别编号为4-1,5-1,6-1号,HTMP＋SSRHT状态的拉伸试样分别编号为4-2,5-2,6-2号。按照GB/T 228.1－2010,使用MTS-SHT5305型电液伺服万能材料试验机对上述试样在25,50,100,150,200,250,300,316℃下进行拉伸试验。

图1 P280GH 钢弯头拉伸试样示意图Fig.1 Schematic diagram of P280GH steel elbow tensile specimen

对4-1,4-2号试样沿端部截取金相试样,试样经过打磨、抛光,用体积分数为4%的硝酸酒精浸蚀1～3 s后用酒精擦干且热风吹干后,采用SK2208L型光学显微镜进行显微组织观察。对不同温度下进行拉伸试验后的4-1,4-2 号拉伸试样取样,使用Hitachi-3400N 型扫描电子显微镜(SEM)观察试样的微观形貌,并用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。

2 试验结果

2.1 化学成分

1,2,3号试样的化学成分分析结果如表1 所示,可见3 个试样的化学成分较接近且均符合RCC-M(2000 版＋2002 补 遗＋2005 补 遗)对P280GH 钢的技术要求,其中硫、磷等有害元素的质量分数均远小于标准值,1,2,3号试样的碳当量分别为0.46%,0.47%,0.48%,均符合上述标准对碳当量的要求(不大于0.48%),从而保证了材料具有良好的加工性能。

表1 不同试样的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of different specimens（mass fraction） %

2.2 拉伸性能

由图2可见,当温度低于250 ℃时,4-1,4-2号拉伸试样几乎不变色;当温度为250 ℃时,4-1,4-2号拉伸试样存在轻微氧化变色;当温度为300℃时,4-1,4-2号拉伸试样变蓝,4-2号拉伸试样的蓝色更明显;当温度为316 ℃时,4-1,4-2号拉伸试样均残存一定的蓝色,但比300 ℃时的颜色要浅。在相同温度下,5-1,5-2,6-1,6-2号拉伸试样有类似形貌。

图2 不同试样在不同温度下拉伸试验后的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of different specimens after tensile test at different temperatures

由于3个炉号的拉伸试样在不同温度下和不同热处理状态下的载荷-位移曲线具有相似的规律,因此仅分析HTMP状态下4-1号试样的载荷-位移曲线(位移为试样伸长量),如图3所示。可见当温度低于250 ℃时,4-1号拉伸试样的载荷-位移曲线有明显的屈服齿;当温度高于或等于250 ℃时,4-1号拉伸试样的载荷-位移曲线无明显的屈服平台或屈服齿。

图3 不同温度下4-1号拉伸试样的载荷-位移曲线Fig.3 Load-extension curves of No.4-1 tensile specimen at different temperatures

碳钢材料的拉伸试验曲线一般包括3个阶段:弹性变形阶段、弹塑性变形(屈服)阶段和塑性变形阶段。在弹性变形阶段,材料的应力与应变成正比,应力去除后变形消失;在弹塑性变形阶段,材料的应力与应变间的正比例关系被破坏,出现屈服平台或屈服齿,应力去除后变形部分恢复并保留部分残余变形,此时对应材料的屈服强度,对于无明显屈服过程的金属材料,规定以产生0.2%残余变形的应力值为屈服强度。在弹塑性变形阶段[2-4],材料内部首先发生晶粒的相对运动和互相偏转,使不同取向的晶粒与力轴取向合适,以保证多晶体中的不同晶粒能够协同变形;当不同晶粒的相对移动和相互偏转完成后,所有晶粒沿特定滑移系开始变形,材料进入均匀的塑性变形阶段。反映到载荷-位移曲线上,随着外力不断增加,当外力等于晶粒发生相对运动和互相偏转的阻力时,晶粒开始发生协调变形,此时形成屈服平台,且试验温度越低,该过程越长,屈服平台越明显;当温度升高,如超过250 ℃时,晶粒变形协调阻力变小,使该过程变短,此时屈服平台不明显,表现为无屈服平台或屈服齿。在塑性变形阶段,滑移位错在遇到晶界时,会受阻并塞积阻碍滑移的进行,此时需要更大的外力才能使位错通过,所以表现为随着载荷不断增加材料发生变形[5]。

由图4可见,HTMP状态下拉伸试样的平均屈服强度和平均抗拉强度高于HTMP＋SSRHT 状态下拉伸试样的;随着温度的升高,两种状态下平均抗拉强度均先降后增,在200 ℃时达到最小值;在HTMP状态下,300 ℃和316 ℃时拉伸试样的平均抗拉强度接近;随着温度的升高,在两种状态下平均屈服强度持续降低,在300℃时达到最小值,且平均断后伸长率均呈下降趋势;在HTMP 和HTMP＋SSRHT 状态下抗拉强度达到最小值时温度分别为300,250 ℃。由于图4为拉伸试样抗拉强度、屈服强度、断后伸长率的平均值变化曲线,因而不排除由于拉伸试样或试验过程存在误差,个别试验结果和上述规律存在差异。

图4 在HTMP和HTMP＋SSRHT状态下拉伸试样的抗拉强度平均值、屈服强度平均值、断后伸长率平均值随温度的变化曲线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 显微组织

由图5可见,4-1,4-2号拉伸试样的显微组织相似,均为铁素体和珠光体且为等轴晶。根据GB/T 6394－2017《金属平均晶粒度测定方法》,得到两种试样的晶粒度为8级。在HTMP和HTMP＋SSRHT状态下拉伸试样的显微组织相似,这是因为P280GH钢的模拟消除应力热处理温度低于共析转变温度,因此不会发生共析相变,且材料晶粒度也不会改变。

图5 4-1号和4-2号拉伸试样的显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of No.4-1 and No.4-2 tensile specimens

2.4 微观形貌

由图6可见,不同温度下拉伸后4-1号拉伸试样的组织均为铁素体＋片层状珠光体,珠光体的片层间距约为450 nm;4-2号拉伸试样组织中有针状相析出,部分沿片层状珠光体析出(见图6d)),部分沿晶内铁素体析出(见图6f))。图6f)中A 位置和表2分别为该针状析出相的EDS分析位置和分析结果,可知析出相为碳化物。

图6 不同温度下拉伸后4-1号和4-2号拉伸试样的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号拉伸试样析出相的EDS分析结果(质量分数)Tab.2 EDS analysis results of precipitates in No.4-2 tensile specimen（mass fraction） %

3 分析与讨论

3.1 平衡相图分析

使用Thermo-Calc热力学计算软件对表1中1号试样的化学成分数据进行分析并计算得到P280GH 钢的平衡相图,如图7所示。可见当温度降低到1520 ℃时,钢液开始凝固并析出δ铁素体,随着温度继续降低,钢液和δ-铁素体发生包晶反应,并在1480℃时全部转变为γ-奥氏体;当温度为810～1480 ℃时,材料组织均为γ-奥氏体,因而P280GH 钢一般选择在900 ℃进行正火,以保证在该温度下基体均为γ-奥氏体,从而完成奥氏体化;当温度降低到810 ℃时,γ-奥氏体开始转变为α-铁素体;当温度降低到700 ℃时,Fe3C开始析出,这表明剩余γ-奥氏体开始发生共析转变,即转变为P珠光体(α-铁素体＋Fe3C 渗碳体);当温度降低到680 ℃时,剩余γ-奥氏体全部转变为P珠光体;当温度降低到620 ℃时,有碳化物M23C6析出;当温度继续降低到605 ℃时,有石墨析出。

3.2 显微组织变化对拉伸性能的影响

3.2.1 显微组织变化

由微观相貌和平衡相图分析结果可知,P280GH 钢在HTMP 状态正火后空冷的过程中,当温度降低到810 ℃时,材料中γ-奥氏体开始转变为α-铁素体,当温度继续降低到700 ℃时,剩余的γ-奥氏体开始转变为珠光体,当温度降低到680 ℃时,γ-奥氏体全部转变为珠光体。当P280GH 钢进行SSRHT 处理后,材料中部分珠光体分解,且有碳化物沿着珠光体片层及在α-铁素体内析出,该碳化物含有铬、钼、铁。石墨析出较慢且在600℃析出量也很少,因而未发现有石墨析出。

图7 P280GH 钢的平衡相图Fig.7 Equilibrium phase diagram of P280GH steel：a）whole；b）local amplification

3.2.2 显微组织变化对拉伸性能的影响

由图4可知,随着温度升高,材料的抗拉强度会先降低后升高,屈服强度会持续降低,断后伸长率呈下降趋势。结合图2中不同温度下的拉伸试样表面的颜色可知,P280GH 钢在300℃下发生了“蓝脆”,且具有如下规律:

(1)“蓝脆”发生时的温度(以下称为“蓝脆”温度)为300 ℃。

(2)随着温度升高,“蓝脆”温度下材料抗拉强度明显增加,但是屈服强度仍降低。

(3)材料在HTMP状态下断后伸长率在“蓝脆”温度下最小,而材料在HTMP＋SSRHT状态下断后伸长率则在接近“蓝脆”温度的250℃下达到最小。

关于碳钢及低合金钢“蓝脆”现象的相关研究[5-8]表明,材料在较高温度下的拉伸变形中,随着温度升高,点阵原子的活动能力增加,晶体中不同晶粒的协调变形抗力下降,使材料的屈服强度随着温度升高而持续降低;随着材料拉伸变形量的增加,在均匀变形的滑移阶段,已开动的位错会被可扩散的间隙原子(碳原子)锚定,形成柯氏气团;柯氏气团的存在使位错移动困难,这是因为位错只有从气团中挣脱或者拖着气团一起前进才能继续运动;为了使形变继续进行必须开动新的位错,这造成在给定的应变下位错密度增高,导致抗拉强度升高而断后伸长率降低。

P280GH 钢在HTMP状态下的屈服强度和抗拉强度高于HTMP＋SSRHT 状态下的,这是因为材料经模拟消除应力热处理后,会有少量珠光体溶解及微量碳化物析出。由于阻碍位错运动的珠光体片层数量减少[3],导致材料在HTMP 状态下的屈服强度和抗拉强度略高于HTMP＋SSRHT 状态下的;考虑到试验误差以及组织分布的微观差异,在少数情况下材料在HTMP状态下的屈服强度和抗拉强度会低于在HTMP＋SSRHT 状态下的。

3.3 对材料许用应力取值的影响

根据相关研究[9],反应堆一回路压力主要设备材料为18Mn D5钢,其在不同温度下拉伸试验中性能的变化也有类似P280GH 钢的规律,如图8 所示。可见随着温度的升高,18Mn D5钢的屈服强度不断降低,而抗拉强度先降后增再降,且在350℃达到最大;除个别温度外,18MnD5钢在HTMP 状态下淬火加回火处理后的拉伸强度高于在HTMP＋SSRHT 状态下的。

图8 18MnD5钢在不同温度下的拉伸性能曲线Fig.8 Tensile properties curves of 18MnD5 steel at different temperatures

在计算容器或管道壁厚时,需使用材料在服役温度下的许用应力,许用应力由材料在室温下的屈服强度和抗拉强度、材料在服役温度下的屈服强度和抗拉强度共同确定。对于P280GH 钢,根据RCC-M(2000版＋2002补遗＋2005补遗)的规定,其在温度不大于300 ℃时的许用应力均为118 MPa。但是在P280GH 钢弯头的采购技术文件要求中,只要求进行室温拉伸和300 ℃下的拉伸试验。而由上述分析可知,如果弯头的服役温度为150 ℃,则弯头在300 ℃下高温拉伸试验中的抗拉强度合格,但这不代表其在服役温度150 ℃下的抗拉强度也合格。

综上所述,对于碳钢和合金钢(如18Mn D5钢)而言,由于存在“蓝脆”现象,使其在不同温度下的拉伸试验中,会出现随着温度升高,材料的屈服强度降低、抗拉强度先降后增的现象,因此当材料的服役温度在150～250℃范围时,为更好地验证材料性能是否可靠,除进行室温拉伸试验外,还应在服役温度下进行拉伸试验。

4 结论

(1)P280GH 钢在HTMP 状态下组织为铁素体＋珠光体;经过SSRHT 处理后,部分珠光体分解并伴有碳化物析出,其组织变为铁素体＋珠光体＋碳化物。

(2)当温度低于250℃时,P280GH 钢的拉伸曲线有明显的屈服齿;当温度高于或等于250℃时,无明显屈服齿,且随着温度升高,屈服过程越来越不明显。

(3)P280GH 钢在HTMP 状态下的抗拉强度和屈服强度高于HTMP＋SSRHT 状态下的;P280GH 钢在HTMP 状态和HTMP＋SSRHT 状态下,在温度从室温升高到316℃的过程中,抗拉强度先降后增,屈服强度持续降低,在300℃材料出现“蓝脆”现象。当材料的服役温度在150～250℃时,材料应在服役温度下进行拉伸性能测试。