分享：使用工況條件下核用18Ni(300)鋼拉桿的力學(xué)性能

蒸汽發(fā)生器傳熱管是壓水堆核電站一、二回路的壓力邊界[1],在高溫、高壓、振動(dòng)和應(yīng)力等復(fù)雜工況條件下,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),部分傳熱管發(fā)生腐蝕損傷[2－3],以及傳熱管壁厚減薄、破損或泄漏現(xiàn)象,影響核電站的安全運(yùn)行。為了保證核電站的正常運(yùn)行,通常對(duì)缺陷傳熱管兩端進(jìn)行封堵。目前核電站廣泛使用拉拔式機(jī)械堵管技術(shù)對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管進(jìn)行堵管,即將包括外管和滑塊的拉拔式機(jī)械堵頭裝入傳熱管內(nèi),通過拉桿拉動(dòng)滑塊,滑塊與外管之間的倒錐面結(jié)構(gòu)因滑塊向下滑動(dòng)而使外管發(fā)生外徑變大的塑性變形,使得外管外表面與傳熱管緊密貼合,從而達(dá)到封堵的目的。 

拉桿為細(xì)長(zhǎng)桿件,在使用拉桿的過程中,拉桿上端通過螺紋與堵頭滑塊連接,下端通過臺(tái)階面與拉拔液壓缸連接,為實(shí)現(xiàn)密封,拉桿需承受較大的軸向拉力；拉桿受堵頭結(jié)構(gòu)尺寸的限制,截面面積較小,且工程使用過程中出現(xiàn)過拉桿拉斷的現(xiàn)象,為避免拉桿斷裂,拉桿材料需要具備較高的硬度、屈服強(qiáng)度及良好的疲勞性能。拉桿材料選用18Ni系馬氏體時(shí)效鋼,這類材料以超低碳的Fe－Ni馬氏體為基體,通過時(shí)效處理過程中基體析出彌散的金屬間化合物來實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)化[4]。 

18Ni系時(shí)效鋼主要有18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)[5]、18Ni(350)、18Ni(400)和18Ni(400)[6],隨著強(qiáng)度的增大,材料的斷裂韌性明顯降低,為了與拉拔式機(jī)械堵頭外管和滑塊材料的拉伸性能、變形行為、硬度相適應(yīng),選用時(shí)效18Ni(300)鋼制備拉桿。LI等[7]指出析出相與基體的晶格錯(cuò)配程度較低能夠促進(jìn)材料發(fā)生均勻變形,改善材料的斷裂韌性。SINHA等[8]和JHA等[9]指出顯微組織細(xì)化有益于改善材料的斷裂韌性。此外,提高材料的純凈度也是改善沖擊韌性的有效措施[10]。一般地,載荷性質(zhì)(如靜載荷、沖擊載荷或交變載荷)、加載頻率、服役工況、材料表面狀態(tài)等均會(huì)影響18Ni系時(shí)效鋼的疲勞性能。羅文英等[11]的研究結(jié)果顯示,隨著加載頻率的增大,18Ni系時(shí)效鋼疲勞壽命先延長(zhǎng)后縮短。厲鑫洋等[12]的研究指出,經(jīng)過480 ℃時(shí)效處理的18Ni(250)鋼獲得了最佳的低周疲勞性能。WANG等[13]對(duì)疲勞裂紋形成的研究顯示,在高應(yīng)力狀態(tài)下,2 800 MPa時(shí)效鋼的疲勞裂紋主要起源于試樣表面,在低應(yīng)力條件下,疲勞裂紋起源于內(nèi)部夾雜物。 

筆者選用熱處理狀態(tài)是時(shí)效的18Ni(300)鋼制備蒸汽發(fā)生器傳熱管拉拔式機(jī)械堵管用拉桿試樣,對(duì)拉桿在接近使用工況條件下的疲勞和斷裂行為進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析了斷裂機(jī)理,為確定拉桿使用壽命及明確出廠檢驗(yàn)指標(biāo)提供了理論依據(jù)。 

1.   試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1   試驗(yàn)材料

對(duì)18Ni(300)鋼熱軋棒材進(jìn)行熱處理。在850 ℃下進(jìn)行固溶處理,保溫時(shí)間為65 min,保溫后將棒材水淬冷卻至室溫。采用機(jī)械加工方法將固溶處理的熱軋棒材加工成拉桿試樣,成型后對(duì)其進(jìn)行480 ℃時(shí)效處理,保溫時(shí)間為4 h,保溫后空冷至室溫。因?yàn)槔瓧U最薄弱的環(huán)節(jié)為前端螺紋的退刀槽,為避免拉桿在受力過程中發(fā)生應(yīng)力集中,退刀槽過渡處設(shè)置有圓角,其半徑R為0.5 mm。 

圖  1  拉桿螺紋端倒角結(jié)構(gòu)示意

1.2   試驗(yàn)方法

為了使拉拔式機(jī)械堵頭發(fā)生合適的塑性變形,將堵頭安裝過程中的拉拔力控制為56 ～61 kN,并保持2 s,以達(dá)到密封效果；根據(jù)堵頭的安裝經(jīng)驗(yàn),堵頭安裝過程的加載周期為9 s,卸載周期為4 s。試驗(yàn)加載過程如圖2所示,在上述使用工況條件下,用拉伸試驗(yàn)機(jī)循環(huán)加載,直至拉桿斷裂,測(cè)試時(shí)采用3個(gè)平行試樣。 

圖  2  試驗(yàn)加載過程示意

用掃描電鏡(SEM) 觀察斷口的形貌,用光學(xué)顯微鏡(OM)測(cè)定晶粒度,用透射電鏡(TEM)觀察時(shí)效態(tài)的顯微組織,用FeCl3溶液腐蝕金相試樣[14]。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   顯微組織

固溶處理后18Ni(300)鋼的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：原奧氏體晶粒尺寸約為24 μm,對(duì)應(yīng)的晶粒度為7.0級(jí)；組織中含有少量的殘余奧氏體。經(jīng)480℃時(shí)效處理的18Ni(300)鋼的顯微組織形貌如圖4所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,原奧氏體晶粒尺寸約為26 μm,與圖3所示的固溶態(tài)晶粒尺寸一致,表明時(shí)效過程中原奧氏體晶粒未發(fā)生粗化,這與時(shí)效溫度較低有關(guān)。由圖3,4可知,時(shí)效組織中未觀察到殘余奧氏體。 

圖  3  固溶處理后18Ni(300)鋼的顯微組織形貌

圖  4  經(jīng)480 ℃時(shí)效處理的18Ni(300)鋼的顯微組織形貌

利用TEM觀察時(shí)效后18Ni(300)鋼的顯微組織,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：淬火馬氏體發(fā)生回復(fù),析出大量尺寸細(xì)小的顆粒狀強(qiáng)化相；馬氏體板條內(nèi)含有大量的位錯(cuò),在位錯(cuò)線上發(fā)現(xiàn)了析出相,該相具有面心立方結(jié)構(gòu),推斷為Ni3Ti[15]；該相中含有一定量的Fe、Co元素。在鐵基合金中,Ni3Ti相析出的吉布斯自由能比FeCo、FeNi和CoNi相小得多,在時(shí)效處理過程中優(yōu)先形成[16－19]。 

圖  5  18Ni(300)鋼的時(shí)效組織TEM圖像

2.2   使用工況條件下循環(huán)加載力學(xué)性能

3件同批次、同尺寸的拉桿試樣在使用工況條件下室溫循環(huán)加載至斷裂的周次(以下簡(jiǎn)稱“斷裂周次”)分別為486,569,776次,斷裂位置均為拉桿螺紋段根部,拉桿試樣斷裂后的宏觀形貌如圖6所示。根據(jù)堵管維修實(shí)施經(jīng)驗(yàn),一次蒸汽發(fā)生器傳熱管大修拉桿的使用次數(shù)不大于150次。試驗(yàn)斷裂周次最小為486次,是拉桿目標(biāo)斷裂周次的3倍以上。在61 kN拉拔力的作用下,拉桿最小截面(?6.5 mm)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力約為1 839 MPa,接近拉桿材料的抗拉強(qiáng)度(2 050 MPa),斷裂出現(xiàn)在拉桿前端螺紋的退刀槽圓角過渡區(qū),不同試樣上圓角過渡區(qū)表面加工狀態(tài)的差異會(huì)使該區(qū)域的應(yīng)力水平與分布不同,導(dǎo)致斷裂周次有差異,但所有試樣的斷裂周次都滿足規(guī)范要求,說明目前的拉桿試樣設(shè)計(jì)合理。 

圖  6  拉桿試樣斷裂后的宏觀形貌

拉桿斷口SEM形貌如圖7所示。由圖7可知：斷口由塑性變形區(qū)和脆性變形區(qū)組成,塑性變形區(qū)居中,斷裂周次較大試樣的塑性變形區(qū)在整個(gè)斷口的占比較大,而斷裂周次較小試樣的塑性變形區(qū)占比明顯減小；隨著斷裂周次的減小,脆性變形區(qū)占比增大；塑性變形區(qū)由韌窩組成,呈典型韌性變形特征,這是因?yàn)樗苄宰冃芜^程中位錯(cuò)在Ni3Ti相界面塞積,促進(jìn)裂紋形成,接著擴(kuò)大成孔洞,鄰近孔洞互相連接,最后在孔洞邊緣撕裂。斷裂面呈現(xiàn)拉伸、沖擊和疲勞混合斷裂特征,主要以拉伸和沖擊斷裂特征為主,存在疲勞輝紋,但與文獻(xiàn)報(bào)道的馬氏體鋼低周疲勞破壞特征不完全相符,而與拉伸斷裂[20－21]和沖擊斷裂形貌[22－23]特征相符,由此推斷拉桿材料在使用工況條件下的受力行為以拉伸和沖擊形式為主,以疲勞加載形式為輔。 

圖  7  拉桿斷口SEM形貌

3.   結(jié)論

(1) 固溶處理的拉桿材料呈現(xiàn)淬火馬氏體組織,原奧氏體晶粒尺寸約為24 μm,殘余奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26%。時(shí)效處理后,原奧氏體晶粒尺寸約為26 μm,與固溶態(tài)保持一致,未觀察到殘余奧氏體；馬氏體發(fā)生回復(fù),(Ni, Co, Fe)3Ti相在位錯(cuò)上析出,呈細(xì)小顆粒狀。 

(2) 在室溫循環(huán)加載條件下,拉桿試樣的斷裂周次大于480次,滿足一次大修拉桿需適用150次的要求；拉桿試樣斷裂位置均為拉桿螺紋段根部,具有較好的一致性。 

(3) 斷口由塑性變形區(qū)和脆性變形區(qū)組成,塑性變形區(qū)居中。在近使用工況條件下,拉桿受力行為應(yīng)以軸向拉伸形式為主,以疲勞加載形式為輔,因此斷裂面主要以拉伸斷裂特征為主,伴隨疲勞特征。 

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)