冲击温度对a-o-v型缺口钢冲击性能和断口形貌的影响

冲击温度对a-o-v型缺口钢冲击性能和断口形貌的影响

核反应堆压力容器（rcv）是一种承受高温、高压和辐射的特殊压力容器。A508-3钢作为RPV的制造材料,其工作环境极其苛刻,特别是中子辐射会引起A508-3钢韧脆转变温度的提高,从而导致材料失效而发生断裂。因此,提高A508-3钢辐照前的冲击韧性(特别是低温冲击韧性)是国内外核电材料研究者梦寐以求的。材料断裂过程中包含着裂纹的形成与扩展。Charpy-V型缺口试样的冲击功可分为裂纹形成功和裂纹扩展功。裂纹形成功包括弹性变形功和塑性变形功。精确测量裂纹形成功和扩展功需要进行示波冲击试验。对于不同材料,即使断口形貌转变温度相同,其裂纹扩展功也可能相差很大。冲击试样的断口形貌直接反映出断裂的全过程,揭示了韧脆程度上的差别。裂纹扩展功在很大程度上与断口形貌有着很好的相关性,所以研究断口形貌显得尤为重要。对于A508-3钢,目前常采用的热处理工艺为调质处理。随着强韧化工艺研究的进展,发现对亚共析钢采用不完全淬火有助于在不降低材料强度的同时提高韧性,所谓不完全淬火即亚温淬火,或称为临界区淬火,是将钢加热至奥氏体和铁素体两相区内进行淬火。亚温淬火及随后回火是一种韧化的新工艺,此工艺一般要求在亚温淬火前进行一次完全淬火。本论文采用了亚温淬火工艺(在亚温淬火前进行一次完全淬火)对A508-3钢试样进行了双相区热处理,测试了冲击值,并与调质处理试样的性能进行了对比,以研究双相区热处理对A508-3钢的冲击性能的影响。1试验与体制及时间本试验采用的试样为核电压力容器用钢A508-3,共分为两组,其化学成分相同。一组为调质处理试样,热处理制度为:880℃×1h(水淬)+660℃×4h(空冷);另一组为双相区热处理试样,热处理制度为:880℃×1h(水淬)+740℃×1h(水淬)+620℃×2h(空冷)。试样的化学成分列于表1。对调质处理试样在20、-10、-20、-30、-40、-50、-60℃进行冲击试验;对双相区热处理试样在20、-20、-60、-80、-100、-120、-196℃进行冲击试验。冲击试验采用Charpy-V型缺口试样,在Instron-9250HV落锤冲击试验机上进行。利用HITACHIS-570型扫描电镜对试验钢的断口形貌进行扫描。2试验结果与讨论2.1韧脆转变温度测试结果冲击试验参照ASTME23、ASTME185、GB/T12778—2008进行。试验得到每个试样的冲击吸收能量值(E)和侧向膨胀量(LE),采用经验方程拟合出转变曲线后,确定出吸收能量为56J对应的标记温度(T56J)及侧向膨胀量为0.9mm对应的标记温度(T0.9mm),计算出两种热处理制度下的韧脆转变温度变化值ΔT56J和ΔT0.9mm。调质试样和双相区热处理试样不同温度下的冲击吸收能量值和侧膨胀量值列于表2。由表2可知,调质试样随着温度的降低,冲击韧性急剧降低,且同一测试温度下几个试样的冲击功分散性较大;双相区热处理试样在-100～-20℃的测试温度范围内具有比较稳定的冲击性能,在-120℃时,冲击功还能保持在151J以上,在-196℃时,3个试样中的最低冲击功为38.5398J,-120～-20℃时,同一测试温度下几个试样的冲击功值波动较小。这说明A508-3钢经双相区热处理后具有极其优良的低温冲击韧性。2.2热处理制度对压力容器的影响图1是根据吸收能量和侧膨胀量拟合的转变温度曲线。在1图中,由与转变曲线相交的直线确定T56J和T0.9mm,并且计算出两种热处理制度下的转变温度变化值ΔT56J和ΔT0.9mm,数据列于表3。调质处理试样的转变温度T56J和T0.9mm分别是-27.3℃和-27.8℃,双相区热处理试样的转变温度T56J和T0.9mm分别是-177.9℃和-180.4℃。根据拟合的曲线判定,当A508-3钢的热处理制度从调质处理改变为双相区热处理后,其转变温度升高值按照吸收能量和侧膨胀量得到的结果是一致的,分别是150.6℃和152.6℃。A508-3钢作为核反应堆压力容器的制造材料,其工作在中子辐射环境下,中子辐射会引起材料的韧脆转变温度的升高,从而使压力容器因材料脆化而断裂。因此,降低A508-3钢辐照前的韧脆转变温度是非常有意义的。2.3冲击载荷和能量典型的示波冲击曲线如图2(a)所示。由图2(a)可见,试样在动载荷作用下其整个断裂过程是:①发生弹性变形;②发生塑性变形;③最大载荷时形成裂纹;④开始发生裂纹的稳定扩展;⑤裂纹的失稳扩展直至断裂。因此采用示波冲击方法得到F-t和E-t曲线后,可以确定出下列载荷及能量特征值:屈服载荷(Fgy)、最大载荷(Fm)、裂纹发生失稳扩展起点的载荷(Fiu)和裂纹发生失稳扩展终点的载荷(Fa);弹性变形能We、塑性变形能Wd、裂纹形成能Wi(Wi=We+Wd)、裂纹稳定扩展能Wp1、裂纹迅速扩展能Wp2和裂纹扩展能量Wp(Wp=Wp1+Wp2)。总吸收功W=Wi+Wp=We+Wd+Wp1+Wp2。材料发生完全脆断时,那么裂纹一旦形成则立即发生失稳扩展(Fiu=Fm),如图2(b)所示。材料为全韧性时,冲击过程中裂纹形成后始终都是稳定地缓慢扩展而没有失稳扩展(冲击曲线中不出现Fiu和Fa),如图2(c)所示。图3为A508-3钢调质处理试样和双相区热处理试样的室温示波冲击曲线。可以看到,冲击过程中调质处理试样发生韧脆混合断裂,双相区热处理试样发生全韧性断裂。从断裂力学的观点看,反映材料抗断裂能力的指标应当是塑性变形能Wd=Wi-Wgy及裂纹稳定扩展能Wp1=Wu-Wi。塑性变形能与裂纹稳定扩展能的相对关系,反映了动态断裂的可能模式和各自权重因子,可以用来评价材料对冲击载荷的抑制程度。表4为根据图3的示波冲击曲线得到的冲击载荷及能量特征值。可以看到,A508-3钢双相区热处理试样的屈服载荷Fgy和起裂载荷Fm都较高,故形成裂纹较难;调质处理和双相区热处理试样的塑性变形能相差不大,双相区热处理试样的裂纹稳定扩展能要比调质处理试样大得多,这说明经双相区热处理后,A508-3钢对冲击载荷的抑制程度明显。2.4宏观断口观察冲击试样断口在通常情况下除了切口底部的断裂源外,一般由纤维区、放射区和剪切唇三部分组成。断口上这三个区域所占比例大小,标志着材料韧性的优劣,剪切唇和纤维区越大则材料的韧性越好。冲击试样的典型断口如图4所示。之所以出现两个纤维区是因为在冲击试验过程中试样切口部分受拉应力,经过塑性变形后产生裂纹,因而出现纤维区;不开口部分受压应力,裂纹扩展进入放射区,当遇到受压应力区域时裂纹的扩展遭到阻碍,再次出现塑性变形区,所以出现第二纤维区。图5为A508-3钢调质处理试样和双相区热处理试样在不同温度下的冲击断口宏观形貌。调质处理试样在20℃时断口表面凸凹不平,塑性变形严重,难以观察到结晶颗粒,剪切唇和纤维区面积大;-10℃和-20℃时,存在部分延性区,断口侧膨胀明显,-30～-60℃时,断口平整,断口颜色光亮有金属光泽,结晶颗粒明显,难以观察到塑性变形,为典型的脆性断裂。总之,随着温度的降低,断口纤维区面积减少,放射区面积增大。双相区热处理试样在冲击温度为20～-100℃时,断口区域上布满了锋利的撕裂棱全部由剪唇和纤维区组成,当温度降至-120℃时,观察到极小面积的放射区,在-196℃冲击,断口也不平齐,观察到结晶颗粒。从宏观断口形貌上来看,热处理试样的低温冲击韧性要远远优于原材料。2.5断口形貌特征转变图6分别为经过调质处理和双相区热处理的A508-3钢室温冲击试样的断口裂纹扩展区的微观形貌。对比图4可知,调质处理试样在失稳点以前裂纹稳态扩展阶段的断口形貌基本上由韧窝和纤维丝状结构为代表的微观纤维区构成,相应的断裂模式为韧性断裂(如图6(a)所示),而在失稳点之后获得的断口形貌则是明显的解理面与放射区,相应的断裂模式显然为脆性断裂(如图6(b)所示);双相区热处理试样不存在失稳区,故断口形貌为韧窝和纤维丝状结构(如图6(c)所示)。图7为原材料在-10、-20、-30℃下低温冲击试样断口的低倍形貌和失稳区的断裂形貌。之所以选择这3个温度,是因为在前面工作中已经确定了原材料的特征转变温度为为-27.8℃。由图7(a～c)可知,随着温度的降低,断口撕裂减轻,-10℃时的冲击断口还存在明显的延性区,-20℃的冲击断口还有少许延性区,-30℃时几乎没有延性区,断口放射状特征明显。由图7(d～f)可知,3个温度下材料的断裂特征都为解理断裂,随着温度的降低,撕裂棱减少,解理面尺寸变大,断裂面趋于平坦,-10℃和-20℃时,断口上还存在局部韧窝,-10℃时韧窝较-20℃多。图8为双相区热处理试样低温冲击断口SEM形貌。由低温试样的示波冲击曲线可知,-20、-60、-80和-100℃时双相区热处理试样为全韧性断裂,故不存在失稳区。图8(a～d)为裂纹稳态扩展区的韧窝断口形貌,与示波冲击试验结果一致。-20℃时断口形貌为剪切韧窝,呈方向性分布,且韧窝密集、分布均匀,在大韧窝上还密集分布有二次韧窝;-60℃时断口形貌由剪切韧窝和等轴韧窝混合组成,还存在少数等轴状大韧窝;-80℃时断口主要由分布密集、大小均一的等轴状韧窝形成,局部地方存在撕裂棱;-100℃时剪切韧窝和等轴韧窝呈连续分布,在大的剪切韧窝上基本无二次韧窝分布。当冲击温度降至-120℃时,冲击曲线上存在失稳区,图8(e)和8(f)分别为稳态扩展区和失稳扩展区的断口形貌。稳态区为韧窝断裂,主要由丝状拉长韧窝和撕裂韧窝组成,撕裂棱较多;失稳区为准解理断裂,准解理小平面之间以撕裂方式连接,可看到明显的撕裂棱,断裂方式接近韧窝断裂,在断口上河流花样极不明显,断口表面几乎全部由撕裂棱组成。当温度降至-196℃时,冲击曲线上几乎不存在稳态扩展区,裂纹一旦形成就开始失稳扩展,图8(g)和8(h)分别为断口低倍形貌和失稳区的高倍形貌。从低倍形貌来看,断口上还存在少许延性区和撕裂棱,但放射区标志明显,所占比例大,故材料的冲击韧性明显降低了;失稳区为解理和准解理混合断裂,但还是准解理占绝对主导地位,准解理小平面较-120℃时要平坦,且尺寸较-120℃时要大,部分准解理小平面上已经能观察到河流状花样,断口的撕裂特征也不如-120℃明显。3调质试样表现1)随着冲击温度的降低,调质处理试样的冲击值和侧膨胀量呈急剧降低趋势,双相区热处理试样在-120℃冲击时,冲击值还能保持在151J以上,侧膨胀量还能保持在1.26mm以上。2)调质试样:T56J=-27.3℃,T0.9mm=-27.8℃;双相区热处理试样:T56J=-177.9℃,T0.9mm=-180.4℃。3)在20℃时,调质处理试样发生韧脆混合断裂,裂纹稳态扩展区的形貌为韧窝和纤维丝状结构,失稳区的形貌为解理面;双相区热处理试样发生全韧性断裂,断口