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1、核电站压力容器用核电站压力容器用 SA508-3SA508-3 钢厚截面钢厚截面锻件热处理冷却速度锻件热处理冷却速度胡本芙 杨兴博 林岳萌(北京科技大学) (哈尔滨锅炉厂)(第一重型机械集团公司)摘摘 要要 研究了不同截面厚度的 SA508-3 钢热处理冷却速度与力学性能的关系。实验结果表明，当平均冷速18 /min 时，钢的强度和韧 性较低，达不到标准要求。当冷却速度为 58168 /min 时，其淬火 组织为下贝氏体，经 650 回火后组织变成回火贝氏体和均匀分布的合 金碳化物，使 SA508-3 钢具有良好的强度和低温韧性。关键词关键词 压力容器用钢 冷却速度 合金碳化物QUENCHIN
2、G COOLING RATE OF HEAVY SECTION SA508-3 STEEL FORGING FOR PRESSURE VESSEL FOR NUCLEAR POWER STATIONHU Benfu(University of Science and Technology Beijing)YANG Xingbo LIN Yuemeng (Harbin Boiler Works)(First Heavy Machinery(Group) Co.)ABSTRACT The dependence of the properties of heavy section SA508-3 s
3、teel on the quenching cooling rate has been investigated.The experimental results show that the strength and toughness are lower than standard values when the average cooling rate is below 18 /min;when the cooling rate is 58168 /min the microstructure of the steel is of low bainite,which is changed
4、into tempered bainite with tiny dispersive carbides in ferrite after 650 tempering,making SA508-3 steel have good strength and low temperature toughness. KEY WORDS pressure vessel steel,cooling rate,alloy carbide近年来，为减少核反应堆压力容器及核蒸汽供应系统部件的焊缝数量，保证其安全可靠地运行，压力容器向大型化、整体化发展，使大型 厚壁锻件的应用日益增多。这就要求在合理设计锻件化学成分
5、和控制冶 金质量的同时，更加严格地控制热加工后的热处理工艺制度，尤其是成 品件的最后热处理冷却速度，建立起冷速组织性能之间的对应关系， 这些对确保核电站压力容器制造质量有着重要意义。 1 1 实验方法和步骤实验方法和步骤试验材料为国产 SA508-3 钢，化学成分(%)为：0.18 C，0.17 Si，1.40 Mn，0.14 Cr，0.79 Ni，0.51 Mo，0.04 Cu，0.02 Al，0.005 V，0.012 N，0.003 S，0.005 P。试样从厚度为 200 mm 锻 件上切取，试板尺寸为 25 mm200 mm180 mm。参考日本室兰制钢所 实测的大型厚壁锻件在淬火时
6、不同厚度位置上的实际冷却曲线图1，2， 得出厚度为 T/2 和 T/4 位置上的平均冷速(890450 )，再根据 SA508-3 钢的 CCT 图和生产实践，选择 6 种平均冷速即 8、18、28、38、58、168 /min。用 HL26BH 真空模拟热处理炉进行试 板模拟热处理。热处理前在试板中心钻一个 1/2 厚度的孔，插入热电偶 测量冷却速度，由计算机控制冷却曲线的程序设计。选用特定浸蚀剂腐蚀试样，在 2 000 倍油浸光学显微镜下采用网 格法测定不同冷速下贝氏体中的碳化物数量和尺寸。2 2 实验结果实验结果2.12.1 不同冷速下钢的力学性能图 1 给出了试验钢淬火态和淬火+350
7、 回火态的拉伸强度和屈服 强度。随着冷速的增加，开始时抗拉强度和屈服强度增加较快，冷速大 于 58 /min 时，增加渐缓，达一定值后两者都变化不大。图 1 冷速与拉伸强度和屈服强度的关系 Fig.1 Cooling rate vs tensile strength and yield strength低温韧性是核电站压力容器部件的重要性能指标。图 2、3 分别为冷速 与冲击功和裂纹扩展功在冲击功中所占百分数之间的关系。由图 2 可知， 淬火图 2 冷速与低温冲击韧性(-10 )的关系 Fig.2 Cooling rate vs low temperature toughness图 3 冷速与
8、冲击功中裂纹扩展功所占百分数的关系 Fig.3 Cooling rate vs partial of propagation energy in impact energy态试样的冲击功很低，对冷却速度不敏感。淬火回火态的试样，随冷 速增加冲击功不断上升，当冷速大于 58 /min 时达到最大值，继续增 加冷速冲击功变化不大。由图 3 可以看出，裂纹扩展功占冲击功的百分 比与冲击功一样，随着冷速增加其变化趋势相同。图 2 与图 3 所示结果 是完全一致的。 2.22.2 不同冷速下热处理后钢的显微组织图 4 所示为钢在不同冷速下热处理后(淬火)的显微组织。淬火冷速 为 8 /min 时，钢的组
9、织为块状铁素体+珠光体+少量贝氏体组织；当 冷速为 28 /min 时，钢中贝氏体数量增多，铁素体明显减少；当冷速 为 58 /min 时，组织主要为上、下贝氏体，铁素体基本被抑制；冷速 大于 168 /min 时，钢的组织中出现约 40 %的马氏体，其余为贝氏体。2.32.3 不同冷速下的回火贝氏体中碳化物的数量和尺寸回火后，从贝氏体中析出合金渗碳体(FeCrMo)3C，图 5 给出了回火 后合金碳化物的分布情况。由图 5 可以看出，随着冷速增加晶粒变小， 贝氏体铁素体板条细化，碳化物颗粒尺寸减小，弥散分布程度提高。从单位面积的碳化物数量及其颗粒尺寸与冷却速度的关系(图 6、7)可知，当冷速
10、高于 37 /min 时，增大冷速对贝氏体中碳化物数量和尺 寸影响不明显，但冷速小于 37 /min 时，对碳化物数量和颗粒尺寸影 响明显。所以，淬火冷却速度的大小可直接影响碳化物的尺寸和数量。图 8 给出了-10 下冲击韧性与碳化物数量、尺寸之间的关系。随 着单位面积碳化物数量的增加，图 4 不同淬火冷速下钢的显微组织 Fig.4 Optical microstructures of steels under different cooling rate(a)8 /min；(b)28 /min；(c)58 /min图 5 不同冷速下的回火碳化物形态和分布 Fig.5 Morphology a
11、nd distribution of carbide after tempering under different cooling rate(a)18 /min；(b)38 /min；(c)58 /min图 6 冷速与单位面积碳化物数量关系 Fig.6 Cooling rate vs quantity of carbide图 7 冷速与碳化物颗粒平均直径关系 Fig.7 Cooling rate vs diameter of carbide particle图 8 低温韧性与碳化物数量(a)和尺寸(b)之间的关系 Fig.8 Quantity and size of carbide vs l
12、ow temperature toughness钢的低温韧性提高，特别是当碳化物数量大于 102.4 个/mm2时(此时碳 化物颗粒平均直径约 2.2210-52.4010-5 cm)，钢的冲击功明显增 大，对改善钢的低温韧性有很大作用。3 3 讨论讨论Irvine K J 和 Pickering F B 指出3，对于组织为贝氏体的钢， 影响其韧性的因素包括贝氏体铁素体的晶粒尺寸及碳化物的形态和分布。 由图 4 和图 5 所示结果表明，当淬火冷速较慢(837 /min)时，由于 形成贝氏体的温度较高，上贝氏体中铁素体板条尺寸较大，聚集在板条 间的碳化物相对较多，这样在回火时处在铁素体板条间的碳
13、化物易于聚 集长大，使得粗大碳化物颗粒集中在铁素体板条之间和原奥氏体晶界处， 并呈连续分布状态，从而对强度和韧性有不利影响。当冷速较快时(大 于 58 /min)，一方面先共析自由铁素体被抑制，另一方面形成的下贝 氏体铁素体片(条)细小，贝氏体形成温度低，碳长距离扩散更加困难， 使贝氏体铁素体内析出的碳化物细小而且分布均匀，晶界上碳化物颗粒 呈断续分布，因此使钢的强度和低温韧性提高。观察冷速为 58 /min 试样的冲击韧性断口上的碳化物分布状态(图 9)可知，在贝氏体铁素体 上析出的碳化物分布均匀，有利于改善钢的塑性，使裂纹不易首先发生 在铁素体板条内，且一旦裂纹发生，裂纹传播扩展也困难，使
14、钢的低温 韧性明显得到改善。图 9 微观断口上碳化物形态及分布 Fig.9 Morphology and distribution of carbide after tempering on the fractography of steels由上所述，对国产 SA508-3 钢大型厚壁部件来说，若由于设备条件 限制，难以提高冷却速度或厚壁处满足不了一定冷速要求时，通过淬火 前的正火和控制淬火温度、回火温度和时间，改变碳化物分布和大小， 也能有效地改善钢的低温韧性。4 4 结论结论(1) 当 SA508-3 钢的淬火冷却速度大于 58 /min 时，不但可以抑 制先共析铁素体的形成，同时也可分
15、割细化原奥氏体晶粒，获得细小下 贝氏体组织，有效地提高钢的低温韧性。(2) 随着淬火冷速增加，贝氏体铁素体中碳化物颗粒变细，分布趋 向均匀，有利于改善低温韧性参参 考考 文文 献献1 Katao,Migano.On the Heat Treatment,Microstructure and Mechanical Properties of Heavy Gauge Steels for Nuclear Reactor Pressure Vessel.The Tapan Steel Workes Technical Review,1967,29:623. 2 中尾仁二.材料面见原子炉压力容器安全性压力技 术，1977，15(5)：13. 3 Iroine K J,Pickering F B.Continuous-cooled Bainites.London:J Iron and Steel Inst.,1963.201,518.
