磷化处理对核主泵用国产sa-3560b

磷化处理对核主泵用国产sa-3560b

下一代核计算机技术是在引进美国核计算机技术ap10的基础上，结合中国的原子能研究体系和装备制造能力，开发出来的自主知识产权的核计算机技术。我国三代核电完成了引进、消化、吸收、再创新的自主化历程，提升了核电的综合实力，实现了跨越式发展B23材料作为新型核电机组中使用的核主泵螺栓紧固件用料，一般选用强度和塑性都较好的低碳马氏体钢来进行加工。研究目前，国际上主流的学术观点将氢致开裂分为两类：第一类是非氢化物形成体系；第二类是能够形成氢化物的体系。对于非氢化物形成体系，氢致开裂主要有3种机制在本研究中，为了提高B23材料在服役时的使用寿命，使用前对其进行了磷化处理。然而，磷化处理过程中引入的H如何影响B23材料的力学性能尚缺乏报道，同时具体的氢致断裂机制尚不清楚。因此，研究磷化处理前后材料的氢脆敏感性及断裂韧性，结合H含量进行分析及微观断口观察，阐明磷化处理对氢脆敏感性的影响机理，对我国自主研发的核电技术的安全运行具有一定工程意义。1实验方法1.1实验材料实验材料为参考美国AISI4340钢成分自行研制的国产SA-540B23材料，其化学成分如表1所示。1.2材料磷化过程及试验验证金相观察时，利用线切割方法将钢材沿轴向剖开取样，样品直径为2cm。将金相样品在预磨机上用水砂纸从240#逐级打磨至3000#，然后在抛光机上用1.5μm颗粒度的金刚石抛光膏进行抛光。使用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液进行蚀刻。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,FEINano430)观察材料的金相显微组织及断口，加速电压为15kV。本研究所使用B23材料的磷化工艺为：丙酮去油→去离子水清洗→打磨擦洗表面→去离子水清洗→酸洗(盐酸300mL/L,1min)→去离子水清洗→中和(50g/L的NaCO用ONH836型氢氧氮测定仪对母材氢含量、带有磷化层的氢含量及去除磷化层的氢含量分别进行测定。采用慢应变速率拉伸方法研究磷化处理对材料氢致开裂敏感性的影响。根据GB/T15970.7-2017进行慢应变速率拉伸实验。慢拉伸试样尺寸如图1a所示，在拉伸试样上进行表面磷化。在慢应变速率拉伸试验机上进行慢应变速率拉伸实验，应变速率为1×10动态电化学充氢慢拉伸实验试样尺寸见图1a。应变速率为1×10依据GB/T21143-2014进行断裂韧性实验。断裂韧性K若试样厚度满足平面应变要求，见下式：其中，σ为了比较磷化处理对B23材料断裂韧性K2结果与讨论2.1s13材料的显微组织图2所示为B23材料显微组织形貌的SEM像。可知，B23材料经过调制处理后，材料显微组织主要由马氏体+回火索氏体构成，其中回火索氏体是由铁素体及其内部弥散分布的碳化物共同组成的复合组织。2.2s13材料磷化前后慢应变速率拉伸的延伸率慢应变速率拉伸实验结果如图3所示。可以看出，B23材料的慢应变速率拉伸的延伸率平均值在磷化前为13.8%，在磷化后为14.3%。由此可知，磷化处理对B23试样的强度及延伸率影响不大。2.3s13材料的氢脆敏感性分析为进一步探究H对B23材料拉伸性能的影响，采用动态充氢慢应变速率拉伸的方法评估了B23材料的氢脆敏感性。图4中，非充氢状态下，慢应变速率拉伸试样的平均延伸率为16.1%，而在充氢状态下为8.7%。充氢后，B23材料的延伸率显著降低，这说明B23材料具有较高的氢脆敏感性。图5为B23材料在空气中的SEM像。可见，材料发生韧性开裂，断口表现出典型的韧窝形貌，可以清楚地看到剪切唇和纤维区以及放射形及人字形的山脊状花纹。纤维区通常是断裂源，断口的断裂机制一般是“微孔聚集”，在SEM下呈韧窝状花样；剪切唇总是在断口的边缘，并与拉伸试样的表面约成45°夹角，是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口，剪切唇表面较光滑。在较高倍数下进行观察，可以看到断口微观形貌通常含有韧窝，韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂，并在断口上所留下的痕迹。图6为动态充氢条件下断裂后断口的SEM像。可见，断口呈现出典型沿晶开裂形貌，宏观上断口较为平坦。对断口边缘进行放大，可以看到明显的沿晶开裂特征，表明材料发生了氢致开裂，且氢脆敏感性较大。2.4带磷化层样品的氢含量对B23材料磷化前后及用机械打磨的方法去除磷化层后的氢含量进行测定，每种条件分别取3个样品进行测量，磷化前无磷化层样品的氢含量分别为0.80,0.80和0.90mg/kg；磷化后带有磷化层样品的氢含量分别达到了44.00,49.00和48.00mg/kg；去除磷化层后测量基体氢含量分别为0.40,0.42和0.39mg/kg。测量结果列于表2中。可知，磷化后B23材料氢含量急剧升高，机械打磨去除磷化层后B23材料氢含量较磷化前母材的略低。2.5s13材料磷化前后断裂韧性测试为了验证磷化处理对B23材料的断裂性能的影响，分别对磷化前后的B23材料进行3次断裂韧性测试。测得的P-V和K-P曲线如图7和8所示。其中，P2.6．屈服强度由图3的慢应变速率拉伸实验结果可知，B23材料强度较高，屈服强度约为900MPa。根据以往文献报道，屈服强度高于800MPa且拥有马氏体或索氏体组织的钢在氢含量为几个mg/kg时即可发生较为严重的氢致开裂3s13材料磷化过程中氢含量的变化(1)B23材料在电化学动态充氢条件下发生典型的沿晶脆性开裂，延伸率较空气中拉伸时显著下降，表现出较高的氢脆敏感性。(2)磷化处理后，B23材料氢含量(平均值)由磷化前的0.83mg/kg增至47mg/kg；去除表面磷化层后，氢含量