“华龙一号”核电核一级紧固件用SA540材料力学性能的研究

那 帅，李晶晶，曹贺

（沈阳博帅材料科技有限公司，辽宁 沈阳 110000）

“华龙一号”是根据最新核电经验与最新安全要求，研发的先进的百万千瓦级别的压水堆核电技术，华龙一号凝聚了我国建设者的智慧和心血，将核电技术在先进性与成熟性的统一，实现了安全性和经济性的平衡，将核电的能动与非能动的结合[1]。核一级紧固件指的是核电设备中机械配件的安全等级，在安全角度上，核一级紧固件的主要作用于核辐射最强的机械设备，保证机械设备在日常工作中能够更加牢固的固定设备中的各个零件。为此研究核一级紧固件用SA540材料力学性能。国外针对SA540材料的研究起步较早，以美国为首的工业发达地区，已经拥有较为完整的研究成果，理论基础丰富。国内研究该种材料力学性能起步较晚，但现今已经得到部分研究成果，但还需不断继续研究学习[2]。

1 实验材料与实验过程

1.1 实验材料与准备

为了研究核一级紧固件用SA540材料力学性能，实验原材料选用表1所示的化学成分。成分如表1所示：

表1 实验材料化学成分

利用表1中化学成分的原材料，采用表2的热处理参数，制成试样。热处理参数如表2所示：

表2 热处理参数

采用如上表所示的热处理参数，处理实验准备的原材料。

1.2 实验设备与方法

将热处理后的原材料制成直径为40mm和 65mm的试样，然后采用金属拉伸试验机进行拉伸试验，如下图1所示：

图1 金属拉伸试验机

拉伸实验前，测定SA540材料试样的直径和标距，将试件安装在实验机的上、下夹头内，在实验段的标记处安装引伸仪，测量试样件的变形[3]。运行中的实验机进行缓慢加载，与实验机相关联的电脑会显示出试件拉伸变化数值，评定材料的均匀性。

准备SA540材料样品，将样品待测试表面打磨平整，选取3个点测试材料的布氏硬度，使用载荷为50kg，淬火金属球压在试件表面，保持时间为10~15s[5]。SA540材料样品放在样品台中央，顺时针平稳转动手轮，样品台上升，试样与压头接触；直至手轮与螺母之间产生相对滑动，停止转动手轮，压力完全加上后开始设定保持时间倒计时，到时间后立即卸载，恢复初始状态，完成紧固件样品布氏硬度测试。

表3 试件力学性能值

2 实验结果分析

2.1 力学数值分析

依照上述实验准备及处理过程，得到试样的力学性能值，如表1所示。

由上表所示的各项参数可知，当温度条件为RT时，试棒的屈服强度保持在955 N/mm²左右，拉伸强度在1069 N/mm²左右，计算得到该核一级紧固件的延伸率在19%，断面收缩率为61%左右，试棒硬度为342-356HB范围，核一级SA540材料硬度的延伸率数值较小，收缩率数值较大，在实际使用过程中，在受到外力的作用下，紧固件不易变形，产生裂缝后容易修复，符合核一级安全等级的要求。当温度在+350℃时，从整体数值来看，屈服强度为789 N/mm²左右，拉伸强度为954 N/mm²，计算得到该核一级紧固件的延伸率在28%，断面收缩率为81%左右，试棒硬度为339-351HB范围时，屈服强度与拉伸强度均小于温度条件为RT下的数值，但从延伸率与断面收缩率来看，数值均大于温度条件为RT的实验构件。从实验结果可判定出，核一级SA540材料紧固件在安全使用等级范围内。

2.2 侧向膨胀量测定

根据侧向膨胀量的测定方法，将实验准备阶段SA540材料试件重新标记号码，由表2侧向膨胀量数值可知，模拟SA540材料的核一级紧固件工作温度为15℃及-12.2℃，根据侧向膨胀量数值可知，实验构件侧向膨胀量的数值维持在数值1左右，侧向膨胀量数值变化不大，在实际操作运用过程中，能够保持稳定，基本符合核一级紧固件的安全要求。

3 结束语

我国核产业不断发展，对核用零件的安全等级提出了更高的要求，为此研究SA540材料硬度均匀性，能够根据实际核工程的安全，调整材料的性能系数，保证紧固件的性能，保证核工程的安全。

表4 侧向膨胀量