δ铁素体对316LN不锈钢冲击韧性的影响

(1.上海电机学院,上海 201306;2.上海电气核电设备有限公司，上海 201306)

0 引言

目前，压水反应堆作为一种技术成熟、运行稳定的堆型被推广应用，尤其是我国拥有自主知识产权的华龙一号三代核反应技术[1-2]。核电站运行过程中，一回路的高温高压水经由主管道、在蒸汽发生器中与二回路的水发生热交换[3-5]。在核电设备制造过程中，为方便蒸汽发生器接管与主管道的现场安装，会在低合金接管处焊接316LN不锈钢安全端(见图1[6])。由于主管道也是由316LN锻造而成，因此在安装现场可实现同质焊接[7]。

316LN是一种低碳、控氮型不锈钢，具有良好的热加工性能，但变形抗力较大，通常在800～1 200 ℃温度范围内进行热加工[8-10]。316LN安全端的锻造工艺流程包括镦粗、冲孔、轧制成型等，最后进行固溶处理。为提高材料的耐腐蚀性能，应避免中高温处理时碳化物的析出。郭跃岭等[11]研究了锻造和热处理对316LN不锈钢在溶液中的腐蚀性能，发现经锻造、固溶处理后，316LN不锈钢具有优异的抗SCC敏感性；Xiong等[12]研究了低温轧制对316LN组织及性能的影响，发现随着变形量的增加，316LN不锈钢中会形成马氏体组织；Goyal等[13]评估了316LN不锈钢在室温和高温环境中的低周疲劳变形行为。

图1 接管安全端焊接示意[6]

1 试验方法

试验用钢取自蒸汽发生器出口接管的安全端模拟件，如图2所示。该模拟件供货态为固溶态，热处理制度为：1 050 ℃×15 min+水冷。分别对锻环内外壁进行成分分析，结果如表1所示。由表1可以看出，该锻件的成品成分均匀，无偏析现象。试验所需样品从上述模拟件上切取，冲击试样尺寸为10 mm ×10 mm ×55 mm,V形缺口深2 mm，张角45°，在RKP450 冲击试验机上进行冲击试验，试验温度为室温。为清晰表征试样的微观形貌，经研磨抛光后的试样利用10%铬酸水溶液进行电化学腐蚀，腐蚀电压、电流分别为1.2 V，22 mA/cm2。利用Axiovert 40MAT光学显微镜(OM)及VEGA/XMU扫描电镜(SEM)观察合金的微观组织、断口形貌，利用EDS对相成分进行分析。

图2 316LN锻件安全端实物图

表1 316LN锻件化学成分 %

2 结果及讨论

2.1 试环冲击性能

316LN试环内外壁的冲击性能如表2 所示。

表2 安全端锻件不同位置的冲击吸收能量 J

从表2可以看出，试环内、外壁的冲击吸收能量平均值分别为45.9,136 J。试环内壁的冲击吸收能量约为外壁的1/3。根据核电蒸汽发生器316LN安全端考核要求，试环的冲击吸收能量须大于60 J，因此，该试环不能满足产品的设计要求。

2.2 原因分析

为分析该试环内外壁冲击性能异常的原因，针对内壁冲击试样进行断口截面分析，结果如图3所示。图3(a)为冲击试样的整个截面形貌，分为缺口区和裂纹扩展区。冲击试样呈脆性断裂模式，未观察到韧窝形貌。在裂纹扩展的路径上可观察到图3(b),(c)所示的形貌，分别为裂纹扩展路径附近的微型裂纹和孔洞。为进一步分析试样呈脆性断裂的原因，采用SEM+EDS对冲击试验试样进行表征，结果如图4和表3所示。图4为冲击断口附近的微观组织形貌。从图4中可观察到A,B两相组织。根据EDS结果(见表3)，组织A具有较高的铁素体稳定元素，其中Cr,Mo元素的含量分别为26.89%,5.49%，远高于组织B中Cr,Mo元素的含量；但组织A中Ni元素含量较低，约为4.57%。根据组织形貌、元素含量以及不锈钢F-A(铁素体-奥氏体)凝固模式可知，组织A为δ铁素体，组织B为奥氏体。

图3 316LN锻件内壁冲击试样断口形貌

图4 316LN锻件微观组织形貌

为进一步验证316LN不锈钢安全端试环内壁冲击吸收能量降低是由于δ铁素体形成于晶间所致，分别对安全端试环内外壁的组织形貌进行SEM表征，其结果如图5所示。

(a)内壁

(b)外壁

图5 安全端试环内外壁的SEM微观组织形貌

由图5(a)可以看出，安全端试环外壁由纯奥氏体组织构成，未观察到铁素体组织存在；其内壁由奥氏体、δ铁素体组成(见图5(b))。可以看出，316LN不锈钢锻件内外壁组织主要的区别是δ铁素体的存在，δ铁素体相较于奥氏体其变形能力较差。冲击过程中，在剪切应力作用下容易沿δ铁素体与奥氏体的界面萌生裂纹并扩展，最终呈脆性断裂。根据表1所示内外壁处的化学成分分析结果可知，两侧的化学成分没有明显区别，由此可推断试环内壁δ铁素体的出现不是由于铁素体稳定化元素含量较高所致。结合实际制造工艺，试环的加工主要工序包括锻造、机加工、固溶热处理。固溶处理的目的包括：提高成分及组织均匀性、消除加工硬化以及增强耐蚀性能等。对于不锈钢锻件，在整个锻造及固溶处理过程中，由于芯部位置的升温速率较慢，其高温停留时间较短，导致δ铁素体无法全部回溶，从而残留于基体中。

3 结语

316LN不锈钢安全端在锻造、固溶热处理过程中，由于内外壁加热到预定温度的时间不一致，导致内壁保温时间较短，对应部位的δ铁素体无法全部回溶，残留于奥氏体基体。冲击试验时，在剪应力的作用下，应力容易在δ铁素体与奥氏体的界面处集中并导致裂纹萌生，从而产生脆性开裂，导致试环内壁的冲击吸收能量要低于外壁。