焊后熱處理對 SA508Gr.3鋼韌性影響的研究

張娟，劉艷鋒，肖文凱，翟顯

（1.東方電氣（廣州）重型機器有限公司，廣東 廣州 511455；2.武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 引言

到目前為止，世界的核電站建設(shè)已經(jīng)歷經(jīng)了三代。第一代核反應(yīng)堆以原型堆的形式在20世紀50、60年代應(yīng)用，大量采用小鍛件和鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主設(shè)備焊縫較多，安全裕度較低；第二大核反應(yīng)堆即大型商業(yè)化的核電站，在70年代出現(xiàn)并運行至今，開始大量采用大鍛件以減少焊縫；第三代核反應(yīng)堆的典型代表為AP1000型核反應(yīng)堆，90年代開始發(fā)展，以提高第二代核反應(yīng)堆的安全性為目標(biāo)，其功率更大，設(shè)計壽命延長，需要更大尺寸和性能更優(yōu)的大鍛件，SA．508等級3合金鋼是核電機械部件的標(biāo)準合金原料。在核工業(yè)的許多重要設(shè)備的設(shè)計中都有采用，例如核電工業(yè)設(shè)備中的穩(wěn)壓器。SA．508等級3標(biāo)準的合金鋼與上一代的合金鋼的原料性能相比，其強度大幅提升，并且在較低溫度情況下仍然具備較強的韌性。表1為該鍛件兩代原料SA．508標(biāo)準3Cl1與SA．508標(biāo)準3C2的性能指標(biāo)比較。美國機械協(xié)會的標(biāo)準中定義了該合金鋼的組成成分，見表2與表3。

表1 SA.508等級1與等級2性能比較

表2 ASME標(biāo)準規(guī)范的SA508Gr.3化學(xué)成分

表3 ASME標(biāo)準規(guī)范的SA508Gr.3力學(xué)性能

2 SA.508合金鋼的冷卻變化趨勢圖

SA．508合金鋼的冷卻變化趨勢圖，反映了合金鋼在各種降溫速率下組成元素的變化趨勢，變化趨勢圖是設(shè)計合金鋼熱加工生產(chǎn)工藝的主要參考條件。該合金鋼具備很高的淬透性能，在熱處理加工過程中，更有利于溫度降低對材料耐溫性能的要求，其在非常低的冷卻條件下也能得到更好的組織結(jié)構(gòu)并擁有不錯的性能指標(biāo)。如圖1所示，研究專家經(jīng)過試驗得出SA-508其CL1與等級CL2標(biāo)準下的合金鋼，化學(xué)元素組成變化趨勢。

SA．508其標(biāo)準3 合金鋼在經(jīng)歷各種降溫速率的持續(xù)冷卻后，可以形成三類結(jié)構(gòu)，即Pearlite結(jié)構(gòu)、Bainite結(jié)構(gòu)、與Martensite結(jié)構(gòu)。從該合金鋼的冷卻變化趨勢圖中可以看出Martensite的極限點狀態(tài)，Martensite需要的溫降速度非常快，如果合金件的厚度較大實現(xiàn)這樣快的溫度降低比較困難。如果溫度下降速率低于10度每分鐘時，合金鋼的持續(xù)變化過程中存在很多Pearlite結(jié)構(gòu)，其硬度相對要低很多，結(jié)構(gòu)性能較差。

圖1 508-3鋼（SA508Gr.3Cl.1、SA508Gr.3Cl.2）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

3 SA508Gr.3鋼的熱處理

美國機械協(xié)會的協(xié)議規(guī)范要求合金鍛造件前期預(yù)處理需要兩次以上的完全降溫冷卻，以形成首次Austenite變化及再次Austenite變化的過程。對于厚度較高的合金器件，如果通過首次正火無法實現(xiàn)設(shè)計要求，需要進行二次與三次正火，如果正火不滿足要求還需要進行回火，直到符合設(shè)計要求為止。通過上述工藝過程，可以有效的改善合金的結(jié)構(gòu)，提升其機加工性能。

SA．508鋼一般以調(diào)質(zhì)形式進行出貨，調(diào)質(zhì)是合金鋼一種處理方式。實際的加工過程中，將需要處理的合金鋼通過高溫加熱到900℃左右進行Austenite后，通過向合金鋼表面噴水，使其迅速轉(zhuǎn)換為Bainite組織結(jié)構(gòu)的一種處理方式。對于壁厚較厚的合金，通常的插入水里的淬火方法已經(jīng)不再適合了，其強度指標(biāo)、韌性指標(biāo)都無法滿足設(shè)計要求，這種情況下一般使用向其表面噴水的方式，即便是使用這種工藝，合金的中心部位溫度的下降速度還是無法達到要求，淬火后經(jīng)常會形成Bainite結(jié)構(gòu)。

4 合金焊接之后的處理工藝

依照機械協(xié)會的規(guī)定，合金焊接后的加工處理器溫度不能超過600℃，其工藝過程稱為去除應(yīng)力退火。由于SA．508合金鋼使用的是調(diào)制原料，要實現(xiàn)熱加工過程不對原料的主體產(chǎn)生影響，要求焊接完成后表面處理的溫度不高于鍛件回火溫度，并小于極限溫度15℃。現(xiàn)階段的工藝條件其保存溫度標(biāo)準為600℃上下。在430℃左右對溫度上升與下降的速度要求不大于55℃每小時。要依據(jù)設(shè)備的不同部件的實際情況，規(guī)定熱加工驗證的溫度時間，以及不同產(chǎn)品部件的使用情況，制定了焊后熱處理試驗的保溫時間，如圖2，焊接時間從0開始，最高是48h。圖2與3分別是焊接與性能關(guān)系的曲線圖以及焊接前后的金屬的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 焊后熱處理保溫時間與焊縫金屬沖擊性能的關(guān)系

經(jīng)過比較我們得出結(jié)論，焊接后加工的溫度被限制在150℃左右，熱加工過程對焊縫的影響不大，其焊接前后的結(jié)構(gòu)沒有太大變化，但晶體溢出數(shù)量有所變化，在高倍顯微鏡下，合金體內(nèi)的存在密度很高的位錯組織。焊接熱加工后略有變化，這時的剩余應(yīng)力減少，焊接強度也隨之降低，韌性增高，但由于焊接縫隙的結(jié)構(gòu)沒有改變，導(dǎo)致焊縫部位的強度穩(wěn)定。通過實驗對焊接縫隙的強度進行測試，我們得出不同時間條件下焊縫的抗沖擊能力對比，可以看出抗沖擊強度變化不大。

圖3 焊態(tài)與焊后熱處理態(tài)焊縫金相比較

5 回火過程中殘余奧氏體分解特征及其對沖擊韌性的影響

鋼中的殘余奧氏體一般轉(zhuǎn)為成為鐵素體和滲碳體。G．Yan P等研究了SA508 Gr．3鋼回火過程中殘余奧氏體分解特征及其對沖擊韌性的影響，與傳統(tǒng)的回火處理方法相比，將殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體或貝氏，而不是直接分解為長棒碳化物和鐵素體。研究發(fā)現(xiàn)，在230℃回火時，從殘余奧氏體分解形成馬氏體，速度非常緩慢，完全分解需要超過5h。在400℃和650℃回火過程中，殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為貝氏體，在650℃回火過程中，殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為長棒碳化物和鐵素體的混合物，見圖4。

圖4 400℃回火前后樣品的顯微結(jié)構(gòu)演變

因此可知，殘余奧氏體分解形成的產(chǎn)物對鋼的沖擊韌性有顯著影響。長棒碳化物減少可以促進的韌性的提高。在400℃的預(yù)回火可以消除長棒碳化物和鐵素體的混合物。