核電材料sa508gr3-cl2夏比沖擊試驗(yàn)研究

核電材料sa508gr3-cl2夏比沖擊試驗(yàn)研究

夏比侵蝕試驗(yàn)是對測定金屬侵蝕強(qiáng)度的最廣泛使用的傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)。通過夏比沖擊試驗(yàn)?zāi)艿玫讲牧系臎_擊吸收能量,該指標(biāo)是一項(xiàng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料評估和材料驗(yàn)收時很重要的力學(xué)性能指標(biāo)。然而僅憑沖擊吸收能量這一指標(biāo)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(nèi)核電產(chǎn)業(yè)應(yīng)用較廣泛的反應(yīng)堆壓力容器用鋼。特殊的使用環(huán)境要求該材料具有良好的常規(guī)力學(xué)性能的同時,也要具備較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。為此筆者嘗試以儀器化沖擊試驗(yàn)的方法對該材料進(jìn)行測試,分析其沖擊吸收能量的具體構(gòu)成,并從能量的角度建立起準(zhǔn)確評價該材料韌脆性能的方法,為該材料在核電產(chǎn)業(yè)中的評估與驗(yàn)收提供依據(jù)。1樣品的制備和測試方法1.1材料性能及力學(xué)性能試驗(yàn)材料為上海某重型鍛造有限公司生產(chǎn)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(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)。其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)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(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度650MPa,屈服強(qiáng)度505MPa,斷后伸長率22%,斷面收縮率72%。所有指標(biāo)均符合ASMESA-508/SA-508M-2010所規(guī)定的技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣。試樣缺口為V型,缺口加工采用成型拉床預(yù)拉,再用光學(xué)曲線磨床精磨至規(guī)定尺寸。1.2擺錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果輸出在ZwickRKP450儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度依次為-100,-80,-60,-40,-20,0,20,60,85℃。試驗(yàn)機(jī)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(jù)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(jù)GB/T19748-2005中的沖擊曲線特征點(diǎn)定義,分別從力-位移曲線上讀出Fm(最大力)、Fiu(不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力)和Fa(不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)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(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始能量)、Wa(不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止能量)和Wt(總沖擊能量)。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1試樣主要參數(shù)設(shè)計試樣各階段的沖擊吸收能量數(shù)據(jù)(Wm,Wiu,Wa,Wt)見表1。理論上認(rèn)為裂紋在最大力時形成,當(dāng)達(dá)到最大力時,裂紋在沖擊試樣缺口處出現(xiàn),因此把沖擊最大力作為裂紋形成的依據(jù):最大力之前所消耗的能量近似認(rèn)為裂紋形成能量(Wi);最大力之后所消耗的能量認(rèn)為裂紋擴(kuò)展能量(Wp),即:裂紋擴(kuò)展能量又可分解為穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量(Wp1)和不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量(Wp2),即:將表1中試樣各階段的沖擊吸收能量數(shù)據(jù)(Wm,Wiu,Wa,Wt)分別代入式(1)~(4),得到試樣的分項(xiàng)吸收能量(Wi,Wp,Wp1,Wp2),結(jié)果也列于表1中。為方便分析討論,分別計算每一試驗(yàn)溫度下所有試樣各分項(xiàng)吸收能量的算術(shù)平均值和總吸收能量的算術(shù)平均值,結(jié)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(kuò)展能量金屬材料在外載荷的作用下,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋萌生和擴(kuò)展的結(jié)果。根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)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(yàn)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(yàn),可以獲得沖擊斷裂過程中關(guān)于裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和不穩(wěn)定擴(kuò)展(失穩(wěn)擴(kuò)展)的能量消耗信息,從而從力學(xué)本質(zhì)上評價鋼的脆化傾向?？倹_擊能量可分解成裂紋形成能量和裂紋擴(kuò)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(kuò)展能量又可分解成穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量和不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量。穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量是裂紋慢速擴(kuò)展所消耗的能量,標(biāo)志和反映了裂紋擴(kuò)展阻力的大小和擴(kuò)展的難易程度,此類裂紋形成的斷口區(qū)域呈韌窩狀,宏觀表現(xiàn)為韌性區(qū)域;不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量是裂紋失穩(wěn)后快速擴(kuò)展所消耗的能量,此類裂紋形成的斷口區(qū)域呈解理或準(zhǔn)解理狀,宏觀表現(xiàn)為脆性區(qū)域。由表2可知,在所有溫度下,不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量均很小,不能作為評判材料韌脆傾向的依據(jù);而在不同溫度下,穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量差別顯著,因此穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量的大小,或近似認(rèn)為裂紋擴(kuò)展能量Wp的大小,是反映材料韌脆傾向的重要判據(jù)之一:裂紋擴(kuò)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(kuò)展能量和總沖擊能量均下降,其中裂紋擴(kuò)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(kuò)展能量的大小在材料韌脆性能的評價中起著主導(dǎo)作用。引入裂紋擴(kuò)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(kuò)展的能量占的比重越大,即裂紋產(chǎn)生后至材料發(fā)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(fā)展成失穩(wěn)擴(kuò)展,材料越傾向于脆性斷裂。工程應(yīng)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(kuò)展能量曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度)作為評價材料韌脆轉(zhuǎn)變的技術(shù)參數(shù)之一。對于SA508Gr.3-Cl.2鋼鍛件,兩條曲線的交點(diǎn)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(kuò)展能量為主。從圖2中還可看出,20℃以上裂紋擴(kuò)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(kuò)展能量逐步下降,試樣斷口由韌性斷口向脆性斷口轉(zhuǎn)變,-60℃以下裂紋擴(kuò)展能量進(jìn)入下平臺,試樣斷口轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘈詳嗫凇?.3剪切斷面率表現(xiàn)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(qū)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(qū)域面積/斷口原始面積)×100%,結(jié)果見表3。分別計算每一試驗(yàn)溫度下所有試樣剪切斷面率的算術(shù)平均值,結(jié)果見表4;并繪制剪切斷面率-溫度曲線,見圖4。工程應(yīng)用中,通常以FATT50作為材料發(fā)生韌脆性能轉(zhuǎn)變的特征溫度,該指標(biāo)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(yàn)結(jié)果得出的韌脆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變,-60℃以下剪切斷面率進(jìn)入下平臺,試樣斷口轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘈詳嗫?。此結(jié)果與儀器化沖擊試驗(yàn)得出的結(jié)果也較吻合。3材料的韌脆性(1)金屬材料的裂紋擴(kuò)展能量(穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量)的大小是反映材料韌脆傾向的重要判據(jù)之一,在材料韌脆性能的評價中起著主導(dǎo)作用。(2)利用儀器化沖擊試驗(yàn)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(kuò)展能量,可對材料的韌脆性進(jìn)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(kuò)展能量為主。20℃以上裂紋擴(kuò)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(kuò)展能量逐步下降,試