17-4PH不锈钢热老化脆化的非线性超声检测评估

杨广宇，史芳杰，李乾武，黄 飞，刘亚飞

(苏州热工研究院有限公司，苏州 215004)

17-4PH不锈钢是一种沉淀硬化马氏体不锈钢，是制造压水堆主反应堆冷却剂系统的结构材料，广泛应用于核电站的阀杆等部件。17-4PH不锈钢在核电厂运行温度下(约300 ℃)长期服役，会发生热老化脆化，其内部微观结构变化可引起力学性能下降[1-2]，对核安全造成潜在影响。对阀杆进行在线无损检测可以提升工业设备的运行安全水平，减少灾难性事故的发生。传统的无损检测方法受检测技术原理的限制，对于损伤早期阶段形成的微尺寸缺陷并不敏感，无法表征材料或构件早期性能的退化[3]，而非线性超声技术可通过对材料性能变化的响应来评估17-4PH的热脆性[4]。非线性超声检测是根据超声波的非线性效应(包括谐振频率的变化、二次谐波及高次谐波的产生等)发展而来的检测方法，其主要通过分析频域信号特征来评估缺陷损伤，较好地克服了传统线性超声检测方法的不足[5]。笔者以17-4PH不锈钢为研究对象，以某核电厂主蒸汽隔离阀备件为试验对象，研究了其在400 ℃下时效处理后的非线性系数变化，讨论了非线性系数与力学性能的关系。为17-4PH不锈钢热老化脆化的非线性超声检测提供了理论依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

主蒸汽隔离阀阀杆备件外观如见图1所示，其制造规范参照ASTM A 564-2007 《热轧和冷精轧时效硬化不锈钢棒材和型材的标准规格》 中的Type 630金属，元素质量分数为：C为0.042%;Si为0.54%;Mn为0.48%;P为0.021%;S为0.000 3%;Cr为15.22%;Ni为4.61%;Cu为3.32%;Nb与Ta一共为0.33%。在1 052 ℃保温10.5 h空冷的固溶处理后，在593 ℃下回火12 h，空冷。

图1 主蒸汽隔离阀阀杆备件外观

1.2 热老化试验

试样加工成圆棒形状，尺寸(直径×长度)为16 mm×90 mm。试样表面进行打磨处理,保证足够的光滑平整。试样在400 ℃下进行时效处理，时效时间分别为0,100,200,300,500 h。阀杆实际运行温度约为283 ℃。

1.3 试验分析方法

在非线性超声(频率为0.29 MHz,瑞丽波)测量时，使用中心频率为5 MHz的窄带压电换能器作为发射探头，使用中心频率为 10 MHz 的宽带压电换能器作为接收探头，且每次测量时施加在换能器上的压力相对稳定。超声换能器与试样之间均为薄层耦合，采用的耦合剂为甘油。最后通过傅里叶变换获得非线性系数。

进行非线性超声检测后，再对试样的冲击功、布氏硬度、拉伸性能进行了测试。冲击试验样品参考标准GB/T 229-2007 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》 加工成尺寸(长×宽×高)为10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口试样，采用Zwick RKP 450型冲击试验机测量其0 ℃的冲击功。拉伸试样根据标准GB/T 228.1-2010 《拉伸试验 第1部分：室温试验方法》 加工尺寸为M12×80 mm(螺纹直径×长度)，拉伸性能采用100 kN AG-IC型拉力试验机测得。试验采用XHBT-3000Z型硬度计测量样品硬度。

2 试验结果及分析

2.1 非线性超声

非线性系数β通过基波A1和二次谐波A2的幅值计算得出，非线性系数β随时效时间的变化如图2所示。由图2可知，在400 ℃时效温度下，β随时效时间的延长呈明显增大趋势，表明时效时间对β产生了重要影响。这是由于随着时效时间的延长，17-4PH不锈钢发生了不同程度的脆化。需要指出的是，β相对于β0(0 h对应的非线性系数)的增量并不大，在0300 h,β有相对较大的增速；在时效时间为500 h时，β达到了最大值。

图2 17-4PH不锈钢阀杆非线性系数随时效时间的变化曲线

17-4PH不锈钢是一种晶体结构，其机械性能的下降与位错的移动相关。金属材料中的非线性效应主要与位错、晶体结构、沉淀析出以及微裂纹有关。高次谐波分量通常是由超声波在非谐固体中传播时变形引起的，这种现象与晶体的晶格非谐性有关(非谐性来自声子与声子间的相互作用，热振动等)。另一个可能影响超声波非线性响应的因素是第二相和位错作用产生的微应变。

晶格畸变引起超声波的非线性效应增加。超声波穿过弹性固体介质时，析出相的晶格间距不同于基质的晶格间距,这会导致晶格失配，引起应变场扭曲(可以通过失配参数进行测量)。第二相和矩阵之间不匹配也会引起晶格应变。1956年GRANATO等[6]提出了材料的位错弦钉扎理论，认为晶体中的位错或点缺陷等可能在位错线上形成钉扎点，而形成的钉扎点会限制位错线的运动。因此，析出相可能是控制17-4PH不锈钢热脆化过程中超声波产生非线性响应的最主要因素。

2.2 布氏硬度

17-4PH不锈钢阀杆布氏硬度与时效时间的关系曲线如图3所示。阀杆时效时间为0 h时，其布氏硬度为350 HBW。随着热老化的加速进行，硬度不断增大，直至500 h时达到最大值,为374 HBW。硬度在整个过程中上升了7%。

图3 17-4PH不锈钢阀杆布氏硬度与时效时间的关系曲线

在比较非线性系数和硬度在0500 h的变化规律时发现，二者变化规律大体一致。图4为17-4PH不锈钢阀杆非线性系数与硬度的关系曲线(决定系数为0.97)。根据ARDELL的研究可知，时效处理后共格沉淀的尺寸和数量增大，其与位错发生相互作用产生时效硬化，使材料的硬度增大。同时，滑移面上形成的钉扎点阻碍了位错运动，在应力作用下，相邻钉扎点之间的位错线会产生受迫振动，伴随着产生高频谐波分量。因此非线性系数与硬度的变化规律表现出一致性。

图4 17-4PH不锈钢阀杆非线性系数与硬度的关系曲线

2.3 拉伸性能

17-4PH不锈钢阀杆拉伸性能与时效时间的关系曲线如图5所示，阀杆初始抗拉强度为1 082 MPa，屈服强度为1 051 MPa。随着热老化的进行，阀杆的抗拉强度和屈服强度增大，但增速逐渐下降，直至500 h时达到最大值,分别为1 212,1 175 MPa。

图5 17-4PH不锈钢阀杆拉伸性能与时效时间的关系曲线

图6为17-4PH不锈钢阀杆抗拉强度和屈服强度与非线性系数的关系曲线(两条曲线的决定系数均为0.98)。与硬度一样，抗拉强度、屈服强度的变化与非线性参数密切相关。彭艳华等[7]认为析出相的沉淀硬化效果主要在于其和位错的交互作用所产生的强化，同时造成一定程度的晶格畸变(表现为抗拉强度以及屈服强度的增大)。这两种因素也是非线性效应产生的主要原因，因此表现出很强的相关性。

图6 17-4PH不锈钢阀杆抗拉强度和屈服强度与非线性系数的关系曲线

2.4 冲击功

17-4PH不锈钢阀杆在0 ℃时冲击功与时效时间的关系曲线如图7所示。由图7可知，冲击功随热老化的进行下降明显，在0100 h的下降速率最大，100 h之后缓慢地持续下降。时效处理过程中冲击功由0 h的90.8 J下降到500 h的22 J，下降了76%。

图7 17-4PH不锈钢阀杆在0 ℃时冲击功与时效时间的关系曲线

图8为17-4PH不锈钢阀杆冲击功与非线性系数的关系曲线(决定系数为0.82)。邹红等[8]观察到很多二次碳化物沿马氏体板条束界析出，这也会降低晶界的结合强度，使材料产生脆化，造成冲击功的严重下降。由此推论，对于非线性效应，析出相在晶界附近造成的影响不如位错相互作用的影响明显，所以冲击功与非线性系数虽然也表现出了一定的相关性，但不如硬度和拉伸性能与非线性系数的相关性高。

图8 17-4PH不锈钢阀杆冲击功与非线性系数的关系曲线

3 结语

(1) 对核电厂中使用的17-4PH不锈钢阀杆在400 ℃下进行时效处理，其非线性系数、硬度、抗拉强度、屈服强度以及冲击功均呈现出单一的变化规律，其中非线性系数、硬度、抗拉强度、屈服强度单调上升，且速率变化规律相近;冲击功的变化则相反，是逐渐下降的,且最大下降了76%。

(2) 材料性能退化可增强透过材料传播的超声波非线性力学行为，微观结构的退化造成了二次谐波分量幅度的增加，基于此发展的非线性超声检测技术对17-4PH不锈钢早期阶段的热老化脆化有良好的检测效果。

(3) 由于非线性参数的变化与析出相的变化相关，非线性系数与硬度、拉伸性能表现出高相关性，所以非线性系数可以用来评估17-4PH不锈钢的热脆化程度。