核電材料sa508gr3-cl2夏比沖擊試驗研究

夏比侵蝕試驗是對測定金屬侵蝕強度的最廣泛使用的傳統力學性能試驗。通過夏比沖擊試驗能得到材料的沖擊吸收能量,該指標是一項在結構設計、材料評估和材料驗收時很重要的力學性能指標。然而僅憑沖擊吸收能量這一指標并不能完全反映材料的韌脆性能。SA508Gr.3-Cl.2鋼鍛件是目前國內核電產業應用較廣泛的反應堆壓力容器用鋼。特殊的使用環境要求該材料具有良好的常規力學性能的同時,也要具備較低的韌脆轉變溫度。為此筆者嘗試以儀器化沖擊試驗的方法對該材料進行測試,分析其沖擊吸收能量的具體構成,并從能量的角度建立起準確評價該材料韌脆性能的方法,為該材料在核電產業中的評估與驗收提供依據。1樣品的制備和測試方法1.1材料性能及力學性能試驗材料為上海某重型鍛造有限公司生產并交檢的核電材料用鋼SA508Gr.3-Cl.2鍛件,截面尺寸為210mm(寬)×260mm(厚),熱處理狀態為調質狀態。其化學成分(質量分數/%)為:0.21C,1.40Mn,0.007P,0.001S,0.18Si,0.97Ni,0.15Cr,0.49Mo,0.005V,0.001Cb,0.05Cu,<0.001Ca,0.0007B,0.003Ti,0.019Al;其力學性能為:抗拉強度650MPa,屈服強度505MPa,斷后伸長率22%,斷面收縮率72%。所有指標均符合ASMESA-508/SA-508M-2010所規定的技術要求。在該鍛件1/4厚度處切取樣坯,沿軋制方向按GB/T229-2007制備10mm×10mm×55mm標準夏比沖擊試樣。試樣缺口為V型,缺口加工采用成型拉床預拉,再用光學曲線磨床精磨至規定尺寸。1.2擺錘沖擊試驗結果輸出在ZwickRKP450儀器化沖擊試驗機上進行系列沖擊試驗,試驗溫度依次為-100,-80,-60,-40,-20,0,20,60,85℃。試驗機擺錘刀刃半徑為2mm,錘頭配有力值傳感器,可將擺錘沖擊試樣瞬間的力值輸出;擺錘桿部配有角度傳感器,可根據擺錘臂長換算成擺錘沖擊試樣瞬間的位移值輸出。輸出值由電腦自動記錄并繪制力-位移曲線,如圖1所示。根據GB/T19748-2005中的沖擊曲線特征點定義,分別從力-位移曲線上讀出Fm(最大力)、Fiu(不穩定裂紋擴展起始力)和Fa(不穩定裂紋擴展終止力),并以力對位移的積分求得Wm(最大力時的能量)、Wiu(不穩定裂紋擴展起始能量)、Wa(不穩定裂紋擴展終止能量)和Wt(總沖擊能量)。2試驗結果與討論2.1試樣主要參數設計試樣各階段的沖擊吸收能量數據(Wm,Wiu,Wa,Wt)見表1。理論上認為裂紋在最大力時形成,當達到最大力時,裂紋在沖擊試樣缺口處出現,因此把沖擊最大力作為裂紋形成的依據:最大力之前所消耗的能量近似認為裂紋形成能量(Wi);最大力之后所消耗的能量認為裂紋擴展能量(Wp),即:裂紋擴展能量又可分解為穩定裂紋擴展能量(Wp1)和不穩定裂紋擴展能量(Wp2),即:將表1中試樣各階段的沖擊吸收能量數據(Wm,Wiu,Wa,Wt)分別代入式(1)~(4),得到試樣的分項吸收能量(Wi,Wp,Wp1,Wp2),結果也列于表1中。為方便分析討論,分別計算每一試驗溫度下所有試樣各分項吸收能量的算術平均值和總吸收能量的算術平均值,結果見表2;并繪制沖擊吸收能量-溫度曲線,見圖2。2.2裂紋擴展能量金屬材料在外載荷的作用下,當應力達到材料的斷裂強度時發生斷裂。斷裂是裂紋萌生和擴展的結果。根據斷裂前金屬材料產生塑性變形量的大小,可將斷裂分為韌性斷裂和脆性斷裂。儀器化沖擊試驗由于記錄了沖擊變形和斷裂過程的力-位移曲線,提供了不同變形和斷裂階段的載荷、變形及能量消耗情況,通過該試驗,可以獲得沖擊斷裂過程中關于裂紋萌生、穩定擴展和不穩定擴展(失穩擴展)的能量消耗信息,從而從力學本質上評價鋼的脆化傾向。總沖擊能量可分解成裂紋形成能量和裂紋擴展能量。裂紋形成能量是缺口根部沿滑移線萌生裂紋前所消耗的能量,通常該部分能量包括試樣缺口處截面的彈性變形能量和屈服至最大力前的塑性變形能量,反映在力-位移曲線上即最大力之前的曲線下方面積(力對位移積分)。裂紋擴展能量又可分解成穩定裂紋擴展能量和不穩定裂紋擴展能量。穩定裂紋擴展能量是裂紋慢速擴展所消耗的能量,標志和反映了裂紋擴展阻力的大小和擴展的難易程度,此類裂紋形成的斷口區域呈韌窩狀,宏觀表現為韌性區域;不穩定裂紋擴展能量是裂紋失穩后快速擴展所消耗的能量,此類裂紋形成的斷口區域呈解理或準解理狀,宏觀表現為脆性區域。由表2可知,在所有溫度下,不穩定裂紋擴展能量均很小,不能作為評判材料韌脆傾向的依據;而在不同溫度下,穩定裂紋擴展能量差別顯著,因此穩定裂紋擴展能量的大小,或近似認為裂紋擴展能量Wp的大小,是反映材料韌脆傾向的重要判據之一:裂紋擴展能量Wp越大,材料越傾向于韌性斷裂;反之,Wp越小,材料越傾向于脆性斷裂。如圖2所示,隨著溫度降低,裂紋形成能量、裂紋擴展能量和總沖擊能量均下降,其中裂紋擴展能量下降的幅度明顯大于裂紋形成能量下降的幅度,說明裂紋擴展能量的大小在材料韌脆性能的評價中起著主導作用。引入裂紋擴展能量與裂紋形成能量比值(Wp/Wi)的概念,比值越大,說明總沖擊能量中用于裂紋擴展的能量占的比重越大,即裂紋產生后至材料發生斷裂前有較大的緩沖余地,材料越傾向于韌性斷裂;比值越小,說明總沖擊能量中用于萌生裂紋的能量占的比重越大,即裂紋萌生后將很快發展成失穩擴展,材料越傾向于脆性斷裂。工程應用中可將比值等于1時的溫度(即裂紋形成能量曲線與裂紋擴展能量曲線的交點所對應的溫度)作為評價材料韌脆轉變的技術參數之一。對于SA508Gr.3-Cl.2鋼鍛件,兩條曲線的交點溫度約為-27℃:低于-27℃時以裂紋形成能量為主,高于-27℃時以裂紋擴展能量為主。從圖2中還可看出,20℃以上裂紋擴展能量基本保持不變,試樣斷口基本為全韌性斷口,20~-60℃裂紋擴展能量逐步下降,試樣斷口由韌性斷口向脆性斷口轉變,-60℃以下裂紋擴展能量進入下平臺,試樣斷口轉變為全脆性斷口。2.3剪切斷面率表現試樣斷口的宏觀形貌如圖3所示。采用圖像分析軟件確定試樣斷口的解理斷裂區域面積和斷口原始面積的相對百分比,從而確定試樣的剪切斷面率。計算公式為:剪切斷面率=(1-解理斷裂區域面積/斷口原始面積)×100%,結果見表3。分別計算每一試驗溫度下所有試樣剪切斷面率的算術平均值,結果見表4;并繪制剪切斷面率-溫度曲線,見圖4。工程應用中,通常以FATT50作為材料發生韌脆性能轉變的特征溫度,該指標的定義為:試樣解理斷面率為50%時的溫度(此時試樣的剪切斷面率也為50%)。從圖4中可以看出,SA508Gr.3-Cl.2鋼鍛件的FATT50溫度為-22℃。此溫度與由儀器化沖擊試驗結果得出的韌脆轉變溫度較接近;另外還可以看出,20℃以上剪切斷面率基本保持不變,試樣斷口基本為全韌性斷口,20~-60℃剪切斷面率逐步下降,試樣斷口由韌性斷口向脆性斷口轉變,-60℃以下剪切斷面率進入下平臺,試樣斷口轉變為全脆性斷口。此結果與儀器化沖擊試驗得出的結果也較吻合。3材料的韌脆性(1)金屬材料的裂紋擴展能量(穩定裂紋擴展能量)的大小是反映材料韌脆傾向的重要判據之一,在材料韌脆性能的評價中起著主導作用。(2)利用儀器化沖擊試驗方法,將金屬材料的沖擊吸收能量分解為裂紋形成能量和裂紋擴展能量,可對材料的韌脆性進行有效評估。(3)對于SA508Gr.3-Cl.2鋼鍛件,低于-27℃時以裂紋形成能量為主,高于-27℃時以裂紋擴展能量為主。20℃以上裂紋擴展能量基本保持不變,試樣斷口基本為全韌性斷口;20~-60℃裂紋擴展能量逐步下降,試