核电用钢铁材料落锤试验过程的控制要点分析

刘 宇

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司,秦皇岛 066206)

落锤试验主要用于测定或验证铁素体材料的无塑性转变温度TNDT，该转变温度最初于1952年由美国海军研究所在爆炸鼓胀试验的基础上发展而成，经过进一步的完善和发展，1963年落锤试验方法被列入了美国材料试验协会标准。我国也于1986年制定了落锤试验方法GB/T 6803-1986《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》，并在2008年进行了修订。目前，通过落锤试验来确定铁素体钢的无塑性转变温度已成为评价钢铁材料在动态载荷下发生裂纹扩展、传播的有效评估指标，在电力、船舶、石化压力容器等领域广泛应用。对于在辐照环境下运行的核电设备用钢铁材料，随着服役年限的增加，材料的塑性会不断下降，容易引起脆性断裂[1]。因此，目前国内设计及制造的核电主设备无论是华龙一号、CAP1400还是AP1000核电机组，对于核一级主设备，包括反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器等，都对相应基体结构部件的无塑性转变温度提出了明确的验收要求。

目前，在核电蒸汽发生器及稳压器的原材料锻件采购验收过程中，时常发现原材料制造厂给出的TNDT值与入厂验收试验得到的TNDT值不一致的情况，即同种材料因不同试验室试验过程控制的不同而导致了试验结果的不同。针对这一问题，笔者从落锤试验的基本要求出发，结合笔者单位的具体试验操作，对核电用钢铁材料落锤试验的过程控制要点进行了归纳总结，旨在规范落锤试验从制样到具体试验操作的整个试验过程，提高落锤试验的准确性及试验结果的一致性。

1 试验要求

根据试验标准GB/T 6803-2008[2]及ASTM E208-20[3]的相关说明，落锤试验是指在规定大小的试样纵轴线中心位置堆焊出一定长度的单条裂纹源焊道，并在裂纹源焊道的中心开出缺口，以制备出符合要求的落锤试验试样，将试样在规定试验温度保温一定的时间后放在专用的试验砧座上，根据材料的屈服强度选取指定的冲击能量，通过锤头的自由落体运动对试样施加单一的冲击载荷，以5 ℃为试验温度间隔测得落锤试样断裂的最高温度即为材料的无塑性转变温度。

2 试样制备

史巨元[4]在《钢的动态力学性能及应用》中指出，脆性断裂不受加工方向的影响，所以TNDT温度与锻轧方向无关，即不受试样取样方向的影响。TNDT温度主要与材料本身的显微组织密切相关，如晶粒尺寸和显微组织的变化对钢的TNDT温度有很大的影响;其次是试样的制备和试验条件的影响，在早期TNDT测试试验中，由于试样制备(堆焊过程的控制)、试验技术及设备条件的影响，试验结果最多可相差20 ℃[5]。因此在试样的制备过程中要重点考虑影响试样显微组织的因素及堆焊过程的控制。

2.1 取样位置

由于目前需测定TNDT的核电用金属材料大多为大型低合金钢锻件，受热处理过程及锻压加工过程的影响，贴近材料热处理表面的基体显微组织与靠近材料心部的显微组织存在一定的差异，因此在试样的制备过程中，应严格控制落锤试样在基体中的位置，坯料切取后应在堆焊裂纹源焊道的一侧标记出明显的标识，以免因检测面的不同而导致试验结果产生差异。

2.2 堆焊过程

郭平、黄腾飞等[1,6]研究发现调整堆焊裂纹源焊道的焊接参数，如焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接用焊条的直径，会使裂纹源焊道的宽度和高度有所不同，进而导致不同的TNDT值，即堆焊裂纹源焊道的高度越低，宽度越窄，试验得到的TNDT值越低。

赵登志等[7]研究发现，对于SA-508-3钢，裂纹源焊道长度也会对TNDT值产生一定的影响，相同条件下70 mm的裂纹源焊道得到的试验结果较20 mm的裂纹源焊道得到的试验结果低5～10 ℃。

关于裂纹源焊道的具体尺寸，GB/T 6803-2008没有给出严格的尺寸要求，而ASTM E208-20给出的尺寸更加宽泛，对于常用的P-3型试样具体要求及对比见表1。因此，为了得到一致的试验结果，每次试验时要考虑到堆焊裂纹源焊道的尺寸，使之保持一致。

表1 对P-3型试样裂纹源焊道的要求对比Tab.1 Requirements comparison of weld bead of crack source for P-3 specimen

3 试验操作

相同方法制备得到的试样，由于试验设备的对中性、温控装置的准确性及试验操作人员具体操作规范与否等因素都会影响落锤试验的结果，下面从试验操作的4个方面具体进行分析。

3.切实发挥好四个作用。党员领导干部在市场开拓中要发挥好“管理协调”作用，在经营创收中要发挥好“引领激励”作用，在安全稳定中要发挥好“控制防范”作用，在精细管理中要发挥好“执行表率”作用。切实引导全体干部员工把思想汇聚到打造一流上、智慧集聚到打造一流上、力量凝聚到打造一流上，切实为公司发展挑重担、负责任，为员工当先锋、作表率。

3.1 试验温度的选取及保温

落锤试验初始试验温度一般通过要求值及以往同种材料的试验经验或参考原材料生产厂家的试验温度来设定，在要求值的基础上以5 ℃的整数倍调整并设定初始试验温度，随后根据试样的断裂程度，再以5 ℃的整数倍为间隔调整并设定后续试验温度。

试验用控温介质可以选择液体或气体，对于液体介质，保温时间至少为45 min；对于气体介质，保温时间至少为60 min。测温用仪器需经过计量检定，并保证控温误差在±1 ℃以内。保温过程中需确保试样之间，试样与保温装置底部和边缘的距离至少为25 mm。

需要特别注意的是，如果试样温度低于规定试验温度，不可以将试样在保温容器中直接升温，而应该将试样取出，使之升高到试验温度以上，而后再回到规定的试验温度重新进行保温。

3.2 落锤冲击能量的选取

冲击能量的选择应根据试样的类型及其实际的屈服强度来选取。根据落锤试样的标准要求，选择的冲击能量应能够确保试样受到冲击后，其受拉面与对应的砧座终止台相接触。需要注意的是，ASTM E208-17标准拓展了屈服强度范围及对应的落锤试验能量，同时对不同屈服强度范围对应的落锤试验能量也进行了修改，试验过程中需要格外关注。GB/T 6803-2008标准及的ASTM E208-20对不同试样冲击能量选择的要求对比如表2所示。

表2 对不同试样冲击能量选择的要求对比Tab.2 Requirements comparison of impact energy selection for different samples

落锤冲击后需保证试样的受拉面与砧座的终止台相接触，若试样受拉面未与砧座的终止台接触，对于P-1型试样，需提高140 J冲击能量；对于P-2和P-3型试样，需提高70 J冲击能量，直到试样受拉面与砧座的终止台接触为止[2]。

3.3 送样过程的控制

根据落锤试样的标准要求，在不影响试样温度的情况下，可使用任何便利的方法将试样从保温装置中取出，放入试验机砧座上进行试验。如果使用试样夹钳来转移试样，则试样夹钳也需要同试样一并放入保温装置中保温，如果使用橡胶材质等保温手套转移试样，需要注意转移过程中避免触碰到裂纹源焊道缺口位置，以免影响试验结果。

此外需要格外注意的是，试样自离开保温装置至冲击的时间不得超过20 s，若整个过程超过20 s仍未冲击，则应该将试样放回保温装置中重新保温。

3.4 试验后试样检查及结果判定

3.4.1 试样受拉面与砧座终止台的接触情况

落锤冲击后需保证试样的受拉面与砧座的终止台相接触，对于18MND5钢、SA-508Gr.3Cl.2钢等材料，试验后试样的受拉面上，裂纹源焊道的两侧一般会出现明显的接触小平面，如图1所示，由此判断试样的受拉面已与砧座的终止台相接触。对于一些不能明确判断的材料，可以根据GB/T 6803-2008上给出的方法，在试样受拉面或砧座终止台上用蜡笔标记，试验后检查二者中未标记的面上是否有蜡笔印痕出现，以此来判断试样的受拉面是否与砧座的终止台相接触。如图2所示，受拉面上有明显的蜡笔染料，所以判断该试样已与砧座终止台良好接触。

图1 接触小平面的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the contact facets

图2 冲击后有蜡笔印痕试样的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of samples with crayon marks after impact

3.4.2 试样对中情况

GB/T 6803-2008规定，落锤冲击过程中需保证试样横向中心线、砧座横向中心线和锤头轴线处在同一垂直面内，偏差不大于±2.5 mm，可以通过冲击后试样受拉面与砧座接触产生的压痕及试样受压面上的压痕来判断试样受到冲击后的对中情况。

试样受到冲击后，其接触两侧支撑砧座的部位会产生明显的压痕，测量两侧压痕至试样端部的距离，其差值不得大于2.5 mm，同时测量试样背面锤头冲击压痕中心线至试样两端部的距离，其差值同样不得大于2.5 mm，以此来判断试样的对中情况。此外，可以根据试样与砧座产生的压痕及锤头锤击产生的压痕线与试样纵轴线的垂直情况，判断试样放置是否发生沿纵轴线方向的偏转。

3.4.3 试样断裂情况

只有在试样的对中良好、受拉面同砧座有良好的接触且裂纹源焊道开裂的情况下，才能确认试验过程有效，进而对试样的断裂情况进行判定，否则应判定为无效试验。只要裂纹源焊道形成的裂纹扩展到受拉面的一个或两棱边上，即可判定为断裂。对于受拉面的裂纹传播到棱边的所有试样，无论起点是否在裂纹源焊道上，都应判定为试样断裂。具体示例如图3～图5所示，图3和图5试样均断裂，图4试样裂纹源焊道开裂，而试样未断裂。

图3 一边断裂试样的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of the sample with one side fracture

图4 未断裂试样的宏观形貌Fig.4 Macro morphology of the unfractured sample

图5 两边断裂的试样宏观形貌Fig.5 Macro morphology of the sample with both sides fracture

需格外注意的是，部分材料在受到冲击后，棱边部分隐约存在少许黏连，不能够明确判断裂纹是否扩展到棱边，对于试样是否断裂容易产生误判，此时可以在棱边裂纹处浸透墨水等染料，吹干后将试样完全压断。若断面棱边处存在染料，则可判定为断裂，若断面棱边处没有染料，且有光亮的金属色，则判定试样未断裂。如图6所示，试样不能够明确判断裂纹源是否扩展到棱边，在试样棱边处用胶头滴管滴入墨水，使用吹风机吹干后将试样压断，如图7所示，右侧棱边存在少许光亮金属断面，左侧棱边全部被墨水浸染，由此可以明确判定试样断裂。

图6 不能明确判断是否断裂的试样的宏观形貌Fig.6 Macro morphology of the sample that cannot be clearly judged whether it was fractured or not

图7 浸染墨水后被压断的试样的宏观形貌Fig.7 Macro morphology of the sample that was fractured after impregnation with ink

4 结束语

(1)落锤试样的制备及试验过程的控制都会导致核电用钢铁材料落锤试验结果的不同，为保证试验结果的准确性及一致性，需要严格控制试样的制备，并严格按照试验标准的规定进行试验，试验后仔细判断试验结果的有效性及试样断裂情况。

(2)对于影响试验结果的裂纹源焊道尺寸，包括裂纹源焊道的宽度、高度及长度，GB/T 6803-2008和ASTM E208-20都没有作出严格的规定。因此，对于同材质同批次材料，为了得到相同的试验结果，在保证试验操作过程控制相同的同时，需要确保堆焊的裂纹源焊道尺寸一致。

(3)后续的试验检测工作中需补充验证不同裂纹源焊道尺寸对其他材料落锤试验结果的影响，进一步明确裂纹源焊道尺寸对落锤试验结果的影响，推动现有的落锤试验标准修订工作。应严格规定裂纹源焊道尺寸，以避免对于同种材料因不同试验室试验过程控制的不同而导致试验结果的不同，同时也避免不合格的材料应用于核电设备中。