分享：不同焊后热处理制度下核安全壳用SA-738Gr.B钢板组织和力学性能研究

SA-738Gr.B钢板是采用第三代核电技术AP1000建造的压水核反应堆钢质安全壳所需材料。文章对比分析了不同模拟焊后热处理制度对SA-738Gr.B钢板力学性能和微观组织的影响。结果表明，钢板经模拟焊后热处理后，钢板的强韧性都会有一定程度的降低，塑性升高。随着模拟焊后热处理温度的升高、保温时间的延长，强度降低、韧性降低尤其是低温韧性下降明显，塑性略微升高。造成这种现象的主要原因是模拟焊后热处理过程中位错密度的降低以及新老析出相的共同聚集长大，基体位错密度越低，合金元素析出越多，第二相粒子聚集长大越明显。与延长保温时间相比，提高模拟焊后热处理温度对钢板性能的影响更明显。

SA-738Gr.B钢板是采用第三代核电技术AP1000建造的压水核反应堆钢质安全壳所需材料[1]，特殊的使用环境及重要性使得安全壳用钢板的质量要求很高。对于安全壳用钢板，由于其需要卷制后进行焊接，故其除了应具有良好的力学性能之外，钢板模拟焊后热处理(SPWHT)后的性能也是一项重要的检验要求。

本文以国内某钢厂生产的厚度45 mm的SA- 738Gr.B钢板为对象，研究了不同模拟焊后热处理制度下钢板的常温拉伸、高温拉伸、夏比冲击以及组织的变化，为后续安全壳制造过程、服役过程的检修及焊接接头热处理提供依据及指导。

实验材料及方法

实验钢板为某钢厂生产的厚度45 mm的SA-738Gr.B钢板，其化学成分如表1所示。

试样生产工艺流程：初炼→LF精炼→VD真空脱气→连铸→钢坯加热→钢板轧制→热处理(淬火+回火)→取样→模拟焊后热处理。试样编号及其对应的热处理制度见表2。

对不同制度下的试样在板厚1/4处切取常温拉伸、高温拉伸、夏比冲击以及组织试样，并按照ASTM A370—2012a、ASTM E21—1998、ASTME112—2013进行实验及组织观察。

实验结果及分析

拉伸性能

钢板交货状态及不同模拟焊后热处理制度下试样的常温拉伸性能及200℃高温拉伸性能如表3所示。

由表3可以看出，钢板经模拟焊后热处理后，屈服强度和抗拉强度均有不同程度的下降，延伸率有不同程度的上升。按照ASME SA-738/SA-738M的技术要求，室温拉伸要求值为：Rp0.2≥415 MPa，Rm585~705 MPa，A≥20%。结合表3，经620℃模焊后(2#、3#)强度及塑性与交货态(1#)相比仅稍有降低或升高；当模焊温度升高至640℃时(4#、5#)强度下降较多，延伸率明显提高，但其仍然符合SA-738/SA-738M的技术要求；模焊温度进一步升高至660℃(6#、7#)时，强度进一步降低，延伸进一步提高，其中抗拉强度已低于标准要求。由此可知，随着模拟焊后热处理温度的升高，试样强度越低、塑性越好。对比同一模焊温度下，随着保温时间的延长，强度和延伸仅稍有降低或升高，变化并不是很大。由此可知，模焊温度对钢板拉伸性能影响较大。

200℃高温拉伸性能与室温拉伸性能变化规律相近。参照SA738Gr.B钢板200℃高温拉伸常用设计要求：Rp0.2≥345 MPa、Rm≥525 MPa，仅经660℃，15 h模焊后的试样抗拉强度不符合要求。

冲击性能

钢板交货状态及不同模拟焊后热处理制度下试样的夏比冲击实验结果见图1。由图1可知，钢板经模焊处理后，韧性降低。同一实验温度下随着模焊温度升高、保温时间延长，韧性越差。当冲击温度高于-20℃时，各状态下的试样冲击吸收功都大于200 J，且差距不大。当冲击温度低于–20℃时，随着模焊制度的变化开始出现明显的差距，实验温度达到–80℃时，经660℃模焊后的试样已属于脆性断裂。

金相组织

钢板交货状态的金相组织如图2所示，其组织为回火贝氏体组织+少量铁素体组织。晶粒尺寸均匀细小，晶粒度为8~9级。

钢板经不同制度模拟焊后热处理后，观察其微观组织，见图3。其组织仍为回火贝氏体+少量铁素体，晶粒度也未发生变化。模拟焊后热处理过程相当于一个长时回火过程，该过程中的组织转变主要为回复作用增强，基体位错密度降低；第二相的形状、尺寸及分布发生变化[2]。结合图3，经620℃，15 h的模焊处理后，铁素体基体内第二相增多，且贝氏体晶界开始变得模糊；当模焊温度升高至640℃，15 h后，晶内及晶界的第二相都明显增多且大尺寸粒子的比例增大；进一步提高模焊温度至660℃，15 h后，贝氏体晶界已变得模糊不清，第二相粒子尺寸较大且聚集分布在晶界及晶内。当模焊温度不变，改变模拟焊后保温时间，无论是从15 h延长至24 h，还是缩短至8 h，晶内细小的析出物随着时间的延长增多，但析出物的尺寸基本不变。

对比扫描电镜下的高倍显微组织，见图4，随着模焊温度的升高，贝氏体晶界越来越模糊，铁素体晶内及晶界的第二相增多，大粒度第二相比例越来越大，片、杆状第二相粒子断开并球化。

钢板经模拟焊后热处理后，造成钢板的力学性能变化的原因主要有：①基体位错密度的降低会降低位错强化效果，增加基体连续性，使钢板强度降低，塑性升高；②模焊过程中钢中固溶合金元素以碳化物的形式析出，降低了固溶强化效果；③析出相在模焊过程中发生小粒子溶解、大粒子长大，使得大粒度第二相比例增大，进一步降低了强度及韧性。模焊温度越高，基体位错密度越低，合金元素析出越多，第二相粒子聚集长大越明显，所以钢板的强度越低，韧性越差，塑性越好。对于同一模焊温度，随着保温时间的延长，合金元素析出增多，虽降低了固溶强化效果，但由于新析出的第二相粒子未发生聚集长大，所以起到了一定的第二相强化作用。这可能是造成钢板性能随保温时间的变化未发生明显变化的主要原因。

结束语

(1)钢板经模拟焊后热处理后，显微组织的变化主要为铁素体基体内位错密度降低，钢中第二相开始长大，同时钢中的固溶合金元素析出形成更多的新析出相，新老析出相共同聚集长大。

(2)钢板经模拟焊后热处理后，强度降低、韧性降低尤其是低温韧性下降明显，塑性略微升高。这主要是由于钢中第二相的变化造成的。

(3)随着模拟焊后热处理温度的升高、保温时间的延长，基体位错密度越低，合金元素析出越多，第二相粒子聚集长大越明显，所以钢板的强度越低，韧性越差，塑性越好。

(4)与延长保温时间相比，提高模拟焊后热处理温度对钢板性能的影响更明显。对于SA-738Gr.B钢板，经660℃模焊后即使保温时间缩短至8 h，钢板的强韧性也达不到标准要求。

文章来源——金属世界