核电材料sa508gr3-cl2夏比冲击试验研究

核电材料sa508gr3-cl2夏比冲击试验研究

夏比侵蚀试验是对测定金属侵蚀强度的最广泛使用的传统力学性能试验。通过夏比冲击试验能得到材料的冲击吸收能量,该指标是一项在结构设计、材料评估和材料验收时很重要的力学性能指标。然而仅凭冲击吸收能量这一指标并不能完全反映材料的韧脆性能。SA508Gr.3-Cl.2钢锻件是目前国内核电产业应用较广泛的反应堆压力容器用钢。特殊的使用环境要求该材料具有良好的常规力学性能的同时,也要具备较低的韧脆转变温度。为此笔者尝试以仪器化冲击试验的方法对该材料进行测试,分析其冲击吸收能量的具体构成,并从能量的角度建立起准确评价该材料韧脆性能的方法,为该材料在核电产业中的评估与验收提供依据。1样品的制备和测试方法1.1材料性能及力学性能试验材料为上海某重型锻造有限公司生产并交检的核电材料用钢SA508Gr.3-Cl.2锻件,截面尺寸为210mm(宽)×260mm(厚),热处理状态为调质状态。其化学成分(质量分数/%)为: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;其力学性能为:抗拉强度650MPa,屈服强度505MPa,断后伸长率22%,断面收缩率72%。所有指标均符合ASMESA-508/SA-508M-2010所规定的技术要求。在该锻件1/4厚度处切取样坯,沿轧制方向按GB/T229-2007制备10mm×10mm×55mm标准夏比冲击试样。试样缺口为V型,缺口加工采用成型拉床预拉,再用光学曲线磨床精磨至规定尺寸。1.2摆锤冲击试验结果输出在ZwickRKP450仪器化冲击试验机上进行系列冲击试验,试验温度依次为-100,-80,-60,-40,-20,0,20,60,85℃。试验机摆锤刀刃半径为2mm,锤头配有力值传感器,可将摆锤冲击试样瞬间的力值输出;摆锤杆部配有角度传感器,可根据摆锤臂长换算成摆锤冲击试样瞬间的位移值输出。输出值由电脑自动记录并绘制力-位移曲线,如图1所示。根据GB/T19748-2005中的冲击曲线特征点定义,分别从力-位移曲线上读出Fm(最大力)、Fiu(不稳定裂纹扩展起始力)和Fa(不稳定裂纹扩展终止力),并以力对位移的积分求得Wm(最大力时的能量)、Wiu(不稳定裂纹扩展起始能量)、Wa(不稳定裂纹扩展终止能量)和Wt(总冲击能量)。2试验结果与讨论2.1试样主要参数设计试样各阶段的冲击吸收能量数据(Wm,Wiu,Wa,Wt)见表1。理论上认为裂纹在最大力时形成,当达到最大力时,裂纹在冲击试样缺口处出现,因此把冲击最大力作为裂纹形成的依据:最大力之前所消耗的能量近似认为裂纹形成能量(Wi);最大力之后所消耗的能量认为裂纹扩展能量(Wp),即:裂纹扩展能量又可分解为稳定裂纹扩展能量(Wp1)和不稳定裂纹扩展能量(Wp2),即:将表1中试样各阶段的冲击吸收能量数据(Wm,Wiu,Wa,Wt)分别代入式(1)~(4),得到试样的分项吸收能量(Wi,Wp,Wp1,Wp2),结果也列于表1中。为方便分析讨论,分别计算每一试验温度下所有试样各分项吸收能量的算术平均值和总吸收能量的算术平均值,结果见表2;并绘制冲击吸收能量-温度曲线,见图2。2.2裂纹扩展能量金属材料在外载荷的作用下,当应力达到材料的断裂强度时发生断裂。断裂是裂纹萌生和扩展的结果。根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小,可将断裂分为韧性断裂和脆性断裂。仪器化冲击试验由于记录了冲击变形和断裂过程的力-位移曲线,提供了不同变形和断裂阶段的载荷、变形及能量消耗情况,通过该试验,可以获得冲击断裂过程中关于裂纹萌生、稳定扩展和不稳定扩展(失稳扩展)的能量消耗信息,从而从力学本质上评价钢的脆化倾向。总冲击能量可分解成裂纹形成能量和裂纹扩展能量。裂纹形成能量是缺口根部沿滑移线萌生裂纹前所消耗的能量,通常该部分能量包括试样缺口处截面的弹性变形能量和屈服至最大力前的塑性变形能量,反映在力-位移曲线上即最大力之前的曲线下方面积(力对位移积分)。裂纹扩展能量又可分解成稳定裂纹扩展能量和不稳定裂纹扩展能量。稳定裂纹扩展能量是裂纹慢速扩展所消耗的能量,标志和反映了裂纹扩展阻力的大小和扩展的难易程度,此类裂纹形成的断口区域呈韧窝状,宏观表现为韧性区域;不稳定裂纹扩展能量是裂纹失稳后快速扩展所消耗的能量,此类裂纹形成的断口区域呈解理或准解理状,宏观表现为脆性区域。由表2可知,在所有温度下,不稳定裂纹扩展能量均很小,不能作为评判材料韧脆倾向的依据;而在不同温度下,稳定裂纹扩展能量差别显著,因此稳定裂纹扩展能量的大小,或近似认为裂纹扩展能量Wp的大小,是反映材料韧脆倾向的重要判据之一:裂纹扩展能量Wp越大,材料越倾向于韧性断裂;反之,Wp越小,材料越倾向于脆性断裂。如图2所示,随着温度降低,裂纹形成能量、裂纹扩展能量和总冲击能量均下降,其中裂纹扩展能量下降的幅度明显大于裂纹形成能量下降的幅度,说明裂纹扩展能量的大小在材料韧脆性能的评价中起着主导作用。引入裂纹扩展能量与裂纹形成能量比值(Wp/Wi)的概念,比值越大,说明总冲击能量中用于裂纹扩展的能量占的比重越大,即裂纹产生后至材料发生断裂前有较大的缓冲余地,材料越倾向于韧性断裂;比值越小,说明总冲击能量中用于萌生裂纹的能量占的比重越大,即裂纹萌生后将很快发展成失稳扩展,材料越倾向于脆性断裂。工程应用中可将比值等于1时的温度(即裂纹形成能量曲线与裂纹扩展能量曲线的交点所对应的温度)作为评价材料韧脆转变的技术参数之一。对于SA508Gr.3-Cl.2钢锻件,两条曲线的交点温度约为-27℃:低于-27℃时以裂纹形成能量为主,高于-27℃时以裂纹扩展能量为主。从图2中还可看出,20℃以上裂纹扩展能量基本保持不变,试样断口基本为全韧性断口,20~-60℃裂纹扩展能量逐步下降,试样断口由韧性断口向脆性断口转变,-60℃以下裂纹扩展能量进入下平台,试样断口转变为全脆性断口。2.3剪切断面率表现试样断口的宏观形貌如图3所示。采用图像分析软件确定试样断口的解理断裂区域面积和断口原始面积的相对百分比,从而确定试样的剪切断面率。计算公式为:剪切断面率=(1-解理断裂区域面积/断口原始面积)×100%,结果见表3。分别计算每一试验温度下所有试样剪切断面率的算术平均值,结果见表4;并绘制剪切断面率-温度曲线,见图4。工程应用中,通常以FATT50作为材料发生韧脆性能转变的特征温度,该指标的定义为:试样解理断面率为50%时的温度(此时试样的剪切断面率也为50%)。从图4中可以看出,SA508Gr.3-Cl.2钢锻件的FATT50温度为-22℃。此温度与由仪器化冲击试验结果得出的韧脆转变温度较接近;另外还可以看出,20℃以上剪切断面率基本保持不变,试样断口基本为全韧性断口,20~-60℃剪切断面率逐步下降,试样断口由韧性断口向脆性断口转变,-60℃以下剪切断面率进入下平台,试样断口转变为全脆性断口。此结果与仪器化冲击试验得出的结果也较吻合。3材料的韧脆性(1)金属材料的裂纹扩展能量(稳定裂纹扩展能量)的大小是反映材料韧脆倾向的重要判据之一,在材料韧脆性能的评价中起着主导作用。(2)利用仪器化冲击试验方法,将金属材料的冲击吸收能量分解为裂纹形成能量和裂纹扩展能量,可对材料的韧脆性进行有效评估。(3)对于SA508Gr.3-Cl.2钢锻件,低于-27℃时以裂纹形成能量为主,高于-27℃时以裂纹扩展能量为主。20℃以上裂纹扩展能量基本保持不变,试样断口基本为全韧性断口;20~-60℃裂纹扩展能量逐步下降,试