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核反应堆压力容器锻件用SA508系列钢的比较和分析

技术应用 | 作者:admin 发布日期:2017-06-08 查看次数:138

核心提示:  实验研究核反应堆压力容器锻件用SA508系列钢的比较和分析陈红宇杜军毅邓林涛宋青坪(中国第二重型机械集团公司重型容器与核电技术研宄所,四川618013)应堆压力容器锻件用SA508系列钢,分析了合

  实验研究核反应堆压力容器锻件用SA508系列钢的比较和分析陈红宇杜军毅邓林涛宋青坪(中国第二重型机械集团公司重型容器与核电技术研宄所,四川618013)应堆压力容器锻件用SA508系列钢,分析了合金元素对钢的力学性能、热力学平衡态析出相、碳当量(Cefl)、淬透指数(Df)和堆焊层裂纹敏感系数(Psr)的影响,为SA508不同级别钢冶炼时实控化学成分的选择和进一步认识SA508系列钢提供了。

  随着电力需求的不断加,世界各国在加核电站数量的同时,也在不断提高反应堆单堆容量,而单堆容量的加,不可避免地引起核压力容器的大型化。从核容器安全性和经济性考虑,应尽量减少组焊、连接时的焊缝长度,因此核电锻件向整体化方向发展。以上原因致使锻件厚度不断大,质量不断提高。

  SA508系列钢是随着反应堆压力容器的大型化和整体化发展起来的,适用于制造反应堆压力容器顶盖、筒体、法兰、封头等锻件。本文通过比较和分析SA508系列钢的发展和变化,为进一步认识SA508系列钢和工程应用提供。

  1SA508系列钢的化学成分和力学性能要求11化学成分5级的化学成分。从主要成分看,1级和1A级,2级和3级,4N性能研究。

  级和5级的化学成分比较接近。1和1A级属C制I钢,2级在1和1A级基础上加了C、NiMo降低了Mn;3级在2级的基础上稍微调整了CsNiMo 4N和5级在3级基础上加Cr、Ni同时降低了Mn含量。

  2力学性能为了适应反应堆单堆功率大的需要,核反应堆压力容器的工作温度和工作压力不断提高,这就需要锻件强度不断加。为了保证容器的安全性,锻件的低温韧性要求也在提高。SA508系列钢正是为了适应以上要求发展的。表2表3列出了SA508系列钢1~5级的拉伸性能和夏比V型冲击性能要求,从力学性能要求看,强度要求越来越高,塑性指标变化不大,冲击韧性要求越来越高,尤其强调了对低温韧性的要求。

  SA508系列钢的比较21热力学分析热力学分析作为材料研究的手段,是通过计算系统吉布斯自由能的最小值来预测材料中可能表1 SA508系列钢的化学成分(质量分数,%)元素SA508系列钢1级1A级2级3级4N级5级表2 SA508系列钢的拉伸性能要求项目1和1A级2和3级1类2和3级2类4N和5级1类4N和5级2类4N级3类抗拉强度MPa屈服强度MPa延伸率(%)面缩率(%)表3 SA508系列钢的夏比V型冲击要求项目一组三个试样的最低平均值/J一个试样的最低值/J注:一组内只有一个试样可以低于最低平均值。

  存在的热力学平衡相,同时可以计算各个平衡相随温度的变化情况和平衡相的组成等。陈红宇、刘正东、林肇杰等人利用Themo-Calc热力学分析软件分析了SA508-3钢平衡相转变的热力学过程。结果表明,SA508-3钢热力学平衡相主要是合金渗碳体、M7C3及Mo的碳化物,MnMo、Cr溶入渗碳体形成合金渗碳体,同时发现Mo含量较高时,在一定温度范围内有M02C析出。

  由于锻件厚度越来越大,为了提高钢的淬透性,合金含量在不断提高。合金元素的加入,一方面提高了钢的淬透性,同时某些元素将溶入渗碳体形成合金渗碳体,合金渗碳体中合金元素的不同将影响渗碳体的稳定性从而影响钢的使用性能。由于1和1A级中Mn含量较高,所以1和1A级钢中溶入渗碳体的合金元素主要是Mn2和3级钢合金渗碳体中的合金元素将以MnMoCr为主,其中Cr的含量比较低;4N级和5级的合金渗碳体中溶入的Cr将大大加。由于Cr与C的结合能力比Mn强,所以4N和5级中的合金渗碳体大了基体的形变抗力,可以提高钢使用时的稳定性。

  22化学成分的比较从SA508系列钢的发展来看,降低C含量、提高Ni含量是核反应堆压力容器锻件用钢的发展趋势。C是保证强度要求的主要元素,由于C原子属间隙型原子,大C含量将使韧性下降、Tndt升高,同时C含量高会降低钢的可焊性,因此在保证强度的前提下应尽可能的选取较低的C含量。Ni固溶到铁素体直接强化作用较小,但Ni能提高C的活度,强C原子在位错周围的偏聚,阻碍位错移动,从而起到间接固溶强化作用,在强化的同时,能使铁素体韧性特别是低温韧性提高,所以将Ni含量控制在成分范围的上限对提高锻件的性能是有利的。

  强化基体的作用,但是在015%~040%的范围内强化作用较弱。研究表明,在含Ni钢中,Si表现为脆化元素,Si与Ni―起在原奥氏体晶界产生偏聚,导致晶界内聚力降低,加了回火脆性,同时Si在钢锭凝固过程中会产生偏析,因此,在冶炼时Si的成分范围控制在1~ 4N级的中下限较为合适。Mn可以较强的提高钢的淬透性,同时Mn和Ni―样能够强化基体、使铁素体韧性特别是低温韧性提高,但是Mn的效果比Ni要低得多。SA508钢1~3级中Mn含量在加,4N和5级中将Mn含量降低到020%~040%.研究表明,Mn会促成P和其它杂质原子在原奥氏项目2级体晶界产生偏聚,降低晶界内聚力,加回火脆性,为了弥补这一缺点,从2级开始提高了Mo含量,通过Mo的固溶抑制P和其它杂质原子的晶界偏聚,因此,2级和3级钢将Mn控制在成分范围的上限对性能的提高是有利的。Cr能提高钢的洋透性,溶入渗碳体又能提高渗碳体的稳定性,所以通过提高Cr含量来弥补4N和5级中Mn降低对钢淬透性的影响对锻件使用性能是有益的。

  Mo可以提高淬透性、耐热性和减小回火脆性。2级为了适应锻件高温使用的要求在1和1A级的基础上将Mo含量提高到0 55%~070%,3级和4N级将含量降为Q45%~060%,5级将Mo的下限进一步降低。研究表明,Mo含量过高时将在回火过程中析出MC针,致使基体中Mo含量降低,而基体中的Mo有抑制P、S、As等杂质原子偏聚的作用,所以Mo含量控制在3级和4N级的中限较为合适。

  3焊接性、淬透性和堆焊层裂纹敏感性的比较焊接性的评价一般采用碳当量Cq:铬、钼、锰、镍是提高大型锻件淬透性的元素,研究除碳以外的添加元素对淬透性的影响,得到淬透指数Df,即:上1代表不加合金元素时淬透性指数,元素后面的括号及百分号表明该元素的含量以百分含量计算。

  Ti有密切关系,一般表示如下:(3)式,计算了2~5级钢的Cq、Df,Psr.由于V含量比较低,在Cq中不考虑V;由于钢中的P、S>V含量比较低,在计算Df不考虑P、s、V;由于Cu、NbTi含量较低,所以Psr中仅考虑了CrMo、V,由于V是微量元素,同时计算了没有V时的Psr,结果如表4从计算结果可以看出,2级和3级的焊接性比4N级和5级优良,但是4N级和5级的淬透指数比2级和3级要高得多。堆焊层裂纹敏感系数以3级最小,4N级和5级比较高,主要是因为Cr含量较高,因此4N级和5级钢对焊接技术和堆焊层材料提出了更高要求,提高焊接技术和改进堆焊层材料的裂纹敏感性是使用4N级和5级锻件的前提。由于Cr在提高淬透性方面有有利的方面,对焊接性和堆焊层裂纹敏感性又有不利的方面,所以4N级和5级钢冶炼时对Cr含量的控制要考虑两方面的影响。

  表4和PSR的计算结果2级和3级的碳当量、淬透指数相近,3级的堆焊层裂纹敏感系数比2级小得多,所以3级钢的综合性能是较为优良的。4N级和5级的淬透指数远大于2级和3级,所以4N级和5级适合特厚超大锻件。

  3结论通过比较sA508系列钢化学成分、力学性能、焊接性、淬透性和堆焊层裂纹敏感性的变化,分析了合金元素对钢的力学性能、热力学平衡态析出相、碳当量、淬透指数和堆焊层裂纹敏感系数的影响,初步明确了不同级别钢中各合金元素所起的作用,为sA508不同级别钢冶炼时实控化学成分的选择和进一步认识sA508系列钢提供了


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