核電壓力容器封頭鍛件低溫沖擊不合格分析

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

封頭鍛件是核電壓力容器的主要鍛件，其性能熱處理為調(diào)質(zhì)。力學(xué)性能驗收項目主要包括拉伸、沖擊和落錘試驗。我公司在承制某項目封頭鍛件時，封頭經(jīng)調(diào)質(zhì)后低溫沖擊性能有一單個值低于技術(shù)條件要求，為此進行了返修熱處理。考慮拉伸強度有富裕量，將回火溫度提高至上限，其它參數(shù)不變，結(jié)果低溫沖擊性能仍不合格。為研究沖擊不合格的原因，將沖擊試樣進行了斷口觀察及金相檢驗。

1 封頭簡介

1.1 調(diào)質(zhì)形狀及取樣位置

封頭材質(zhì)為16MnD5，對應(yīng)我國牌號19MnNiMo，為低碳低合金鋼，性能熱處理時其形狀為內(nèi)徑約2m、壁厚250mm、高約1.5m的球形封頭，根據(jù)技術(shù)條件要求，取樣位置在封頭開口端距內(nèi)側(cè)1/4壁厚處，距淬火端部1個壁厚。

1.2 熱處理及沖擊性能

封頭的調(diào)質(zhì)工藝：880～900℃保溫6h，冷卻方式為水冷，640～665℃回火保溫12h。返修工藝將回火溫度提高至上限，仍在回火溫度范圍，時間參數(shù)未變。調(diào)質(zhì)后封頭室溫拉伸強度597～601MPa(要求≥550MPa)，返修后室溫拉伸強度583～591 MPa，強度有所降低。經(jīng)分析，鍛件的成品化學(xué)分析及晶粒度、夾雜物檢測均正常。

表1 -20℃沖擊不合格情況Table 1 Failed impact status of head forging at -20℃

調(diào)質(zhì)后和第一次返修后低溫沖擊不合格情況見表1。

2 斷口及金相分析

為分析沖擊不合格的原因，選取沖擊值分別為137 J、27 J、83 J、25 J(試樣編號分別為1#、2#、3#、4#，其中1#、3#為合格樣，2#、4#為不合格樣)的4個沖擊試樣做掃描電鏡斷口分析，并對3#和4#沖擊試樣做了金相檢查。

2.1 斷口分析

4個沖擊試樣的掃描電鏡斷口形貌如圖1所示。可以看出，1#試樣發(fā)生了明顯的塑性變形，斷口由明顯的韌性區(qū)和放射區(qū)(解理斷口)構(gòu)成，韌性區(qū)為韌窩斷口構(gòu)成，韌窩大小、分布較均勻，這與其高的沖擊功相對應(yīng)；2#試樣宏觀斷口基本未變形，斷口較平整，斷口大部分為放射區(qū)，僅有少量的韌性剪切唇，高倍斷口顯示放射區(qū)存在明顯的河流狀花樣，為典型的穿晶解理斷口，這與該試樣低的沖擊功相對應(yīng)；3#試樣低倍斷口同1#試樣相近，斷口發(fā)生了變形，但韌性區(qū)占斷口百分比較1#試樣小，顯微照片表明韌性區(qū)由大小不一的韌窩構(gòu)成；4#試樣的斷口照片與2#試樣的斷口相近，基本為解理斷口，韌性較差。

圖1 -20℃沖擊試樣斷口形貌Figure 1 Fracture appearance of impacted specimens at -20℃

圖2 3#試樣顯微組織Figure 2 Microstructure of specimen 3#

圖3 4#試樣顯微組織Figure 3 Microstructure of specimen 4#

2.2 金相分析

圖2為3#試樣的顯微組織照片。可以看出，低倍無偏析，組織為回火貝氏體，主要為羽毛狀上貝氏體，同時有少量粒狀貝氏體存在，為正常的調(diào)質(zhì)組織。

圖3為4#試樣的顯微組織照片。從圖3(a)可見，組織存在明顯的偏析，白色區(qū)為負偏析區(qū)，黑色區(qū)為正偏析區(qū)，正偏析區(qū)寬度約為200～400 μm，這與參考文獻[1]中報道的相一致。負偏析區(qū)淬透性較差，主要為上貝氏體、部分粗大貝氏體組織和少量粒狀貝氏體，不同組織的出現(xiàn)表明組織形成溫度不同。正偏析區(qū)由于合金元素含量較高，其淬透性較好，組織為回火索氏體和上貝氏體組織。

核電封頭采用大型鋼錠鍛造成型，內(nèi)部不可避免地會出現(xiàn)化學(xué)成分偏析，這種偏析將導(dǎo)致淬火后組織的不均勻性。組織不均勻性是由成分偏析引起的各處淬透性不同造成的，有研究認(rèn)為合金元素Mn、Mo、Ni的偏析是引起淬火組織差異的主要原因[1]，尤其是Mn和Mo在正偏析區(qū)的聚集，提高了正偏析區(qū)的淬透性。

盡管返修時回火溫度已經(jīng)提高至上限，但返修熱處理對低溫韌性改善不大，只有改善成分偏析才可能較好地改善材料低溫韌性及提高其它力學(xué)性能均勻性。目前，改善核電大型鍛件成分偏析的主要方法是在鍛造時進行完善的高溫擴散退火工藝。

3 結(jié)論

利用掃描電鏡分析了封頭低溫沖擊性能不合格的原因，并提出了改進建議：

(1)封頭存在成分偏析是造成低溫韌性不合格的根本原因。

(2)低溫韌性合格試樣的組織主要為上貝氏體及少量粒狀貝氏體，而不合格試樣存在組織偏析，負偏析區(qū)組織為上貝氏體、部分粗大貝氏體組織和少量粒狀貝氏體，正偏析區(qū)組織主要為回火索氏體和上貝氏體。

(3)改善成分偏析的主要方法是進行高溫擴散退火。