RCC-M规范中奥氏体不锈...锻件拉伸试验取样方向的探讨_浦承皓.pdf

第 卷 第 期 年 月 汽 轮 机 技 术.收稿日期：作者简介：浦承皓（），男，湖北仙桃人，硕士，高级工程师。主要研究方向：核安全设备和材料的技术审评与研究。规范中奥氏体不锈钢锻件拉伸试验取样方向的探讨浦承皓，韩冬傲，樊柯彬，刘雨薇，黄家祺（生态环境部核与辐射安全中心，北京）摘要：取样方向关系到金属材料力学性能试验结果的客观性。对 第卷 篇中各奥氏体不锈钢锻件制品采购技术规范的拉伸试验取样方向进行研究，分析 中对取样方向的定义和选取原则，同时对（控氮）锻件拉伸试验数据进行统计学分析，研究取样方向对拉伸性能的影响及相关原因，便于工程人员正确理解和使用 规范中取样方向要求。关键词：规范；奥氏体不锈钢；取样方向分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），：；前 言奥氏体不锈钢因其优良的抗腐蚀性能和加工性能被大量应用在核电站，特别是用于一回路管道、阀门、泵、堆内构件等重要设备中。为保证材料的使用安全，通过材料的各种性能试验所得到的性能参数需真实地反映材料的材质特性，特别是力学性能。长期试验结果表明，试样加工与金属材料力学性能测试结果关系密切，其中试样取样的方向也对试验结果有较大影响。目前，核岛主要设备的设计及制造主要依据法国 规范或美国 规范。相比于美国 规范，规范更类似于采购技术文件，第卷材料篇对各种材料的生产、试验及验收要求更为详细具体，也包括取样位置和取样方向。在核电工程实践中曾发现，在生产 规范奥氏体不锈钢锻件过程中，有试验人员和监督人员因对规范认识不清，在拉伸试验取样时采用了错误的取样方向，致使力学性能试验结果真实性和准确性存疑。因此，对 规范下奥氏体不锈钢锻件拉伸试验取样方向进行研究，有助于工程人员依据标准规范准确地开展试验活动，保障材料使用安全。奥氏体不锈钢锻件取样方向要求不一致 第卷 篇是法国核岛设备设计、建造及在役检查规则协会（）发布的压水堆核岛机械设备设计和建造规则有关材料方面的规则，规定了核岛机械设备用材料的总体要求及其制品和部件采购技术规范，其中包含了力学性能试验的取样位置和取样方向等。规范中奥氏体不锈钢锻件的拉伸试验取样方向要求见表。从表 可以看出，针对不同的奥氏体不锈钢锻造制品或部件，采购技术规范中对拉伸试验的取样方向要求不完全一致，描述方式也不一样，主要是“纵向”、“切向”，“和试样的轴线应垂直于主要锻造方向”。在无特殊规定情况下，纵向试样表示试样的纵轴平行于钢在被轧制或锻造期间的最大延伸方向，横向试样表示试样的纵轴垂直于钢在被轧制或锻造期间的最大延伸方向，切向试样表示试样的纵轴垂直于含有其产品轴线的一平面。不难发现，在试样取样方向的描述方式上，规范有以主成形方向（最大延伸方向）为基准的，也有以材料几何形状的主轴为基准的。第 期浦承皓等：规范中奥氏体不锈钢锻件拉伸试验取样方向的探讨表 中奥氏体不锈钢锻件拉伸试验取样方向规范取样方向 用于、级设备的奥氏体不锈钢锻件和锤锻件只要部件的形状许可，切割后试样的轴线应垂直于主要锻造方向 用于制造堆芯支承和上部支承板的 控氮不锈钢锻造圆盘切向 用于制造压水堆冷却剂系统管路的 和 控氮的奥氏体不锈钢挤压锻造管切向 用于制造压水堆主泵轴的含铌稳定化奥氏体不锈钢锻件纵向切向 用于、级设备管板的奥氏体不锈钢锻件切向 用于反应堆冷却剂系统管路的 控氮和 控氮奥氏体不锈钢锻造模压弯头切向 用于稳压器波动管的 控氮奥氏体不锈钢锻钻管切向虽然上述制品和部件采购技术规范中规定了具体锻造制品和部件的力学性能取样方向，但是，第卷 篇总则中同样也规定了锻件的力学性能取样方向。规定，拉伸试验试样的轴线应平行于锻件的主锻造方向，中明确锻造方向是指锻件各部位在锻造过程中产生最大延伸的方向。可知，篇总则中规定锻件的拉伸试验取样方向为纵向，与各具体规范中取样方向的要求不完全一致。取样方向分析 对主要规范的分析在力学性能试验中，取样方向对试验结果有十分重要的影响。主要因为金属材料在热塑性变形过程中，金属晶粒沿主变形方向流动，残存的枝晶偏析、可变性夹杂物和第二相也沿金属流动方向被拉长而形成“流线”，即纤维组织，而纤维组织相对稳定，回复和再结晶不能改变其已有的分布特征。纤维组织的出现，将使钢的力学性能呈现各向异性，沿着流线的方向具有较高的力学性能，垂直于流线方向的性能则较低，特别是塑性和韧性表现更为明显，即纵向性能优于横向性能。表 中，、和 规范中的取样方向均为切向，制品为锻造圆盘、管道、管板和弯头等，这些制品或部件主要以盘类、筒及环类锻件为主，均有较为确定的几何形状和主轴。从锻造工艺看，这些锻件的主变形方向多为周向 切向，如果基于锻件主成形方向来定义取样方向的话，可以简单认为上述锻件的取样方向均为纵向，即与 中规定保持一致。分析认为，中使用“切向”这种以材料几何形状为基准确定取样方向的方式，主要考虑到相关制品或部件，具有确定的几何形状和制造工艺，方便制造厂商和试验机构在取样时直接应用，无需再考虑材料的主锻造（最大延伸方向）方向，这一原则同样在（合金钢）等反应堆压力容器、蒸汽发生器主锻件规范中使用。而且，即使上述锻件的主变形方向由于不同锻造工艺等因素不是周向 切向，若取样方向仍按照切向取样，即截取的试样为横向试样，因为一般横向试样的力学性能差于纵向试样，相当于使用了更为严苛的标准，并不会降低锻件使用的安全性。是主泵轴锻件的采购技术规范，其中规定拉伸试验取样方向为纵向和切向。由于轴类锻件的主变形方向一般为轴向 纵向，按切向取样即为横向试样。相比于其它规范，不仅选取了纵向试样，还选取了横向试样。分析认为，主要是由于相比起其它类型锻件，长轴类锻件产品在锻造过程中实际沿一个方向的变形很大，更容易形成晶粒流向和纤维组织，同时随着锻造截面比的不断增大，使横向力学性能指标急剧下降，即出现各向异性，而且对于有台阶的长轴类锻件轴端的力学性能在拔长达到一定条件后，更容易出现各向异性。所以，为避免可能出现的各向异性对锻件力学性能的影响，选取了两个不同方向对材料力学性能进行验证。对 规范的分析 中关于力学性能取样方向规定为“只要部件的形状许可，切割后试样的轴线应垂直于主要锻造方向”，即条件允许时取样方向为横向，这与 的纵向试样要求不一致。本文选取 中使用较多的（控氮）锻件材料，试图进一步研究取样方向对力学性能值的影响。随机选取 组国外某锻件制造厂提供的（控氮）阀体锻件的拉伸试验数据。每组数据中包含 件横向试样和 件纵向试样（每组中横、纵向试样均取自同一试料且为最终热处理状态），分别进行室温拉伸试验和 高温拉伸试验。室温和高温下纵、横向试样拉伸试验结果对比分别如图 和图 所示。图 （控氮）阀体锻件室温下 组纵向和横向试样拉伸试验数据对比由图、图 可以看出，不论是在室温还是在高温环境下，纵向和横向试样的屈服强度（）、抗拉强度（）、断后伸长率（）和断面收缩率（）的曲线基本重合，显示纵、横向取样方向对各项力学性能值影响不大，并对数据进行单因素方差分析，分析结果见表，查 分布数值表做显著性检查。从表 方差分析结果可知，屈服强度（）、抗拉强度汽 轮 机 技 术第 卷图 （控氮）阀体锻件 下 组纵向和横向试样拉伸试验数据对比 表 拉伸性能的单因素方差分析方差来源自由度均方差 值组间组内组间组内组间组内组间组内组间组内组间组内组间组内组间组内 注：组间为纵、横向数据组间，组内表示误差，（）（）、断后伸长率（）和断面收缩率（）对应 值均远小于（），且同一自由度下各性能指标对应 值并无明显差异，通过显著性检验得出纵向、横向取样方向对拉伸试验结果没有显著影响。结合该锻件制造工艺，分析认为可能有两方面原因：（）阀体锻件一般采用模锻工艺，主要因为模锻工艺适合凹凸内腔等复杂结构锻件的一次成形。一般情况下，坯料在模膛中三向或多向受压发生塑性变形，变形更为均匀，纤维组织的分布也更为合理，锻件具有良好的各向同性。（）根据规范要求，奥氏体不锈钢锻件最终性能热处理为在 之间进行固溶热处理。通过固溶处理可使锻造过程中析出的碳化物在高温下固溶于奥氏体中，并急速冷却获得单相的奥氏体组织，基本上不存在因不同相组织导致的材料各向异性；此外，锻造和热处理过程中发生再结晶会形成等轴晶粒，且晶粒更加均匀，与柱状晶相比，等轴晶粒在长大时彼此交叉，枝杈间搭接牢靠，各晶粒的取向各不相同，其性能也没有方向性。是用于核安全、级设备的奥氏体不锈钢锻件的采购技术规范，其材料广泛使用于在核安全级阀门、泵、热交换器等重要设备中，与前述专用规范相比，制品和部件无特定几何形状，所以 基于锻件主成形方向来定义取样方向。而且，对于取样方向的要求高于总则要求，虽然上述（控氮）锻件数据说明取样方向对拉伸性能无明显影响，但是考虑到 适用性广，不同锻件的锻造工艺以及锻造比具有不确定性，可能导致材料存在各向异性的风险。所以，为真实反映材料拉伸性能，关于取样方向的规定更为严谨和恰当。结论和建议（）对 第 卷 篇中关于奥氏体不锈钢锻件的取样方向进行分析，发现总则和具体专用规范中对取样方向定义的基准不一致，总则以锻件主成形方向为基准，而具有确定几何形状的制品和部件专用规范以锻件几何形状为基准。（）相比于总则中关于锻件取样方向的要求，和 的要求更为严苛。对于 规范而言，主要是因为长轴类锻件产品在锻造过程中更容易形成晶粒流向和纤维组织，且随着锻造截面比的不断增大可能出现明显各向异性。（）通过对依据 规范生产的（控氮）锻件拉伸试验数据分析，发现取样方向对拉伸性能无明显影响，主要因为使用模锻工艺使锻件变形更均匀，且经过固溶热处理形成单相奥氏体组织和等轴晶粒，锻件具有良好各向同性。但是，规范的适用性较广，考虑到锻造工艺以及锻造比的不确定性，规范中取样方向的要求更为严谨。试验和监督人员在使用相应规范时应重点关注锻件主变形方向甚至是金属流向，以免认识不清以致无法准确得到真实力学性能，增加锻件使用风险。参 考 文 献 赵强，王艳丽，程路，等核电站一回路奥氏体不锈钢铸件热老化的微观力学性能变化 核科学与工程，（）：王放，盖仁涛，漆向前，等第三代核电锻造主管道用奥氏体不锈钢的性能对比和分析 大型铸锻件，（）：王庆田，胡朝威，冷晓春，等核反应堆堆内构件用 奥氏体不锈钢敏化非腐蚀条件下的性能研究 热加工工艺，（）：王承忠金 属材料试样制备与力学性能试验结果的相关性第一讲试样的取样部位及机加工与力学性能试验结果的相关性 理化检验（物理分册），（）：王大庆，李俊英，李长香，等反应堆压力容器用锻件不同规范取样位置的差异性 兵器材料科学与工程，（）：法国核岛设备设计、建造及在役检查规则协会 压水堆核岛机械设备设计和建造规则：第卷 篇材料（补遗）北京：中国机械工业联合出版，（下转第 页）汽 轮 机 技 术第 卷小，但减小幅度较弱。如图 所示，随着温度升高，接触区域的宽度基本保持不变。故温度升高，形密封结构的密封性能降低。图 不同压缩量下最大接触应力工作压力关系图 不同工作压力下接触应力分布 结 论（）分析 形密封结构加载卸载过程中预紧载荷变化得到压缩回弹曲线，结果表明 密封结构具有优异的回弹性能，可用于补偿汽缸汽密性薄弱区域的微量脱离，回弹率达到，可重复使用。（）分析常温阶段和高温承压阶段 形密封结构等效应力分布，最大应力均在波谷内侧处，表明 形密封结构波谷位置最可能产生塑性变形失效。（）增大预紧压缩量，最大接触应力和等效应力均明显增大，接触区域位置往波谷方向移动，接触宽度基本保持不变，最佳压缩量为。（）预紧压缩量、工作温度不变时，工作压力增大，接触应力、接触宽度均明显随之增大，故 形密封结构有良好的自紧性能。（）预紧压缩量、工作压力不变时，工作温度升高，接触应力减小，接触宽度基本不变，且温度升高，材料需用应力降低，故工作温度升高，密封结构的密封性能下降。参 考 文 献 曹 敏，吴辉贤 驱动用小汽轮机汽缸汽密性分析及结构优化 化工设备与管道，（）：张 超，刘龙海，李相鹏 高背压式工业汽轮机排汽缸结构分析与优化 动力工程学报，（）：，；张大伟，雷 征，闫方琦，等 自紧式 形金属密封特性及悬臂结构影响 机械科学与技术：程天馥，李双喜，马