核電具有清潔、持續(xù)供電能力強、受地理位置限制相對較少等優(yōu)點，是未來能源發(fā)展的重要方向。三代壓水堆核電站核島主設(shè)備(如反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等)是關(guān)鍵設(shè)備，需要在高溫、高壓及輻照條件下長期運行，設(shè)計壽期內(nèi)要求其內(nèi)壁的腐蝕速率低于10mg/(cm2·month)。核島主設(shè)備的封頭、筒體和接管等部件采用SA508.Gr3低合金鋼大型鍛件，為了提高抗腐蝕能力，內(nèi)壁堆焊超低碳不銹鋼。帶極埋弧堆焊由于具有熔敷速度快、生產(chǎn)效率高、成形美觀、尺寸穩(wěn)定、無弧光輻射等優(yōu)點，在進行不銹鋼耐蝕層大面積堆焊時，國內(nèi)外大量采用了帶極埋弧堆焊技術(shù)。堆焊前，通常對母材鍛件進行無損檢測，往往會發(fā)現(xiàn)存在少量直徑在50~200μm的夾雜物，以及一定數(shù)量的細小彌散夾雜物。鍛件母材驗收時，這些夾雜物歸類為母材的微小冶金缺欠，原材料供應(yīng)商及設(shè)計方通常認為這些微小冶金缺欠不會影響鍛件的整體性能。在鍛件內(nèi)壁不銹鋼堆焊過程中，在焊接熱循環(huán)作用下會產(chǎn)生焊接應(yīng)力，關(guān)于在焊接應(yīng)力作用下這些微小冶金缺陷是否會作為裂紋源，甚至擴展為裂紋方面的研究較少。因此，對大型SA508.Gr3低合金鋼鍛件夾雜物斷裂行為進行分析，研究鍛件母材中不同長度和形狀的夾雜物在應(yīng)力作用下的斷裂行為，對于減少和防止由鍛件微小缺欠引起的質(zhì)量問題，具有重要的工程意義。

1.試驗方法

某反應(yīng)堆壓力容器接管母材為SA508.Gr3低合金鋼鍛件，接管內(nèi)壁堆焊采用帶極埋弧堆焊工藝，焊材規(guī)格為60mm×0.5mm的不銹鋼焊帶EQ309L/EQ308L，堆焊工藝如表1所示。

堆焊完成后進行后熱處理，即工件被加熱到250~293℃，保溫4h。之后進行無損檢測，再執(zhí)行焊后消應(yīng)力熱處理，焊后熱處理工藝參數(shù)如表2所示。

接管內(nèi)壁不銹鋼堆焊完成后，超聲波檢測時共發(fā)現(xiàn)40處堆焊層下缺陷顯示，缺陷信號幅度相對較大，缺陷長度方向為接管軸向，最長缺陷顯示長度約為105mm，缺陷顯示呈線性，深度約8~15mm(堆焊層厚度約7.5mm)，缺陷宏觀形貌如圖1所示。

初步分析冷裂紋和再熱裂紋可能性比較小，從缺陷的分布方向分析，接管內(nèi)壁的堆焊方向為周向，一般焊接冷裂紋沿周向分布的可能性較大，與產(chǎn)品上發(fā)現(xiàn)的缺陷的軸向分布特征不一致。

為了分析鍛件母材裂紋類缺陷的形成機理，選用SA508.Gr3低合金鋼小鍛件作為試驗材料，預制的缺口與觀察到的最大夾雜物尺寸相當，夾雜1呈月牙形，長度約200μm，夾雜2呈圓形，直徑約50μm。測試溫度為650℃，試驗設(shè)備為Zwick高溫拉伸機.首先測試材料在650℃的拉伸性能，獲得該溫度下屈服強度和斷后伸長率。對表面可以觀察到夾雜的試樣，在夾雜位置附近開缺口，拉伸試樣及缺口示意圖如圖2a和圖2b所示，帶缺口拉伸試樣如圖2c所示。對試樣表面進行精磨和拋光，拉伸逐步加載，記錄夾雜物和基體界面的變化情況。

采用光學顯微鏡觀察夾雜物的變化過程，用電子背散射(EBSD)分析，對試樣表面進行衍射花樣采集，統(tǒng)計試樣的初始晶粒尺寸、微觀組織，以及初始變形分布，用共聚焦顯微鏡觀察變形后試樣表面的三維形貌，測量孔洞深度、裂紋深度以及塑性區(qū)形貌。

2.試驗結(jié)果與分析

2.1夾雜物形狀及試樣初始狀態(tài)分析

試樣上的夾雜形貌和缺口位置如圖3所示，夾雜呈月牙形狀，長度約200μm。

對母材鍛件夾雜通過EBSD進行分析，如圖4所示。對夾雜進行能譜儀(EDS)成分分析，如圖4a所示，發(fā)現(xiàn)基本為Mn，Si，F(xiàn)e的氧化物。

為了獲取材料原始狀態(tài)晶粒尺度的統(tǒng)計，對試樣進行了EBSD分析。該類分析是在掃描電子顯微鏡中，將電子束以70°入射到試樣表面，在晶體或晶粒內(nèi)規(guī)則排列的晶格面上產(chǎn)生衍射。通過所有原子面上產(chǎn)生的衍射組成“衍射花樣”，可以得出晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)以及晶粒內(nèi)的晶格和試樣坐標系的角度關(guān)系。對衍射花樣分析可以得到材料的組成相、晶粒形貌以及多晶之間的應(yīng)變分布情況。

采集點陣步長設(shè)定為1μm。結(jié)果表明，母材主要為貝氏體組織(體心立方，body-centeredcubic，BCC)，沒有殘余奧氏體組織(面心立方，facecenteredcubic，F(xiàn)CC)，在貝氏體中存在少量Fe3C相。如圖4b所示為夾雜物附近晶粒內(nèi)晶格的晶軸在樣品坐標系下的歐拉角度分布。通常晶粒內(nèi)部擁有相同或相近的晶格取向，而不同晶粒之間取向差通常超過10°，屬于大角度晶界，圖像處理中通常識別相鄰兩個點陣取向差大于10°為晶界，則可以勾畫晶界形貌。圖4c和圖4f所示為缺口和夾雜附近的晶界形貌。母材SA508.Gr3的晶粒度較小，對材料表面的晶粒度進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，晶粒直徑大小主要集中在5~15μm之間，峰值出現(xiàn)在6~8μm附近。

對同一晶粒內(nèi)的晶格取向差進行統(tǒng)計，比較每個點陣位置的歐拉角(反映晶粒取向)和該晶粒參考取向的差值(據(jù)研究晶粒內(nèi)平均取向近似于無應(yīng)變的原始取向)，通過圖像法做出晶粒內(nèi)的取向差云圖分布，該圖可以反映出多晶變形時的應(yīng)變集中程度，如圖5所示。對缺口邊緣和母材做應(yīng)變統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)兩者變形程度相當，電火花加工沒有引入新的機械應(yīng)變。母材上晶粒由變形晶粒和再結(jié)晶晶粒組成(再結(jié)晶晶粒細小，且應(yīng)變小，呈藍色的取向差分布)，變形晶粒中有明顯的應(yīng)變殘留(晶粒較大，有綠色至紅色的取向差分布)，屬于母材之前的鍛造軋制等熱加工的應(yīng)變積累。

2.2加載過程夾雜的形貌變化

取樣時發(fā)現(xiàn)該夾雜頭部存在一個直徑超過50μm的孔洞。在另一塊試樣上出現(xiàn)的疑似夾雜物也觀察確認為孔洞，孔洞邊緣殘留不規(guī)則夾雜。經(jīng)觀察及分析，夾雜物和基體的結(jié)合強度較低，并且本身比較脆，在加載時會出現(xiàn)脆裂并和基體分離的趨勢。對帶月牙形夾雜試樣首先進行高溫拉伸，確定屈服強度約180MPa。然后對有夾雜的試樣進行加載觀察形貌變化。在屈服強度以下，夾雜和基體結(jié)合良好，形貌基本沒有變化，當加載到屈服極限后夾雜上的裂痕明顯變深，在達到0.2%塑性應(yīng)變后，月牙狀夾雜尾部出現(xiàn)裂紋開裂，如圖6所示。

帶圓形夾雜試樣(圓形夾雜的直徑大約為50μm)，該材料的屈服強度約200MPa。在屈服強度以下加載，夾雜形貌沒有變化。當加載到0.2%塑性應(yīng)變時，夾雜物裂成兩半，隨后加載到0.3%應(yīng)變時，兩片夾雜之間的位移增加，形成明顯的孔洞，但是沒有裂紋在夾雜和基體的界面產(chǎn)生，如圖7所示。另外對沒有夾雜的材料所制備的試樣加工圓形缺口，在650℃下和950℃下拉伸，發(fā)現(xiàn)在該溫度區(qū)間，母材SA508.Gr3具有較好的塑性變形能力，即使預制了圓形缺口，斷后伸長率仍達到20%~30%。

2.3變形后的缺陷形貌

對帶月牙形夾雜拉伸變形后出現(xiàn)裂紋的試樣，采用共聚焦顯微鏡觀察變形后試樣表面的形貌，如圖8所示。夾雜尾部的裂紋深度約30μm。由于夾雜和基體的結(jié)合強度較低，在變形中不能傳遞應(yīng)變，所以如圖9所示，在夾雜的兩側(cè)，變形程度不一致，夾雜內(nèi)側(cè)試樣高度高于外側(cè)(起伏是由于變形區(qū)減薄造成)。夾雜內(nèi)側(cè)的區(qū)域在拉伸后，厚度幾乎沒有減薄，和夾雜外側(cè)相比只發(fā)生了較小的變形量。

圖10中所示的缺口附近的試樣厚度減薄(100X下觀察)，反映了拉伸后的塑性變形區(qū)，圖中云圖的綠色區(qū)域表明該區(qū)域材料在拉伸變形下出現(xiàn)了減薄。

對夾雜頭部的孔洞進行測量，其深度約為40~50μm，最深處約為60μm，如圖9所示。考察的月牙形狀夾雜物成份主要是Mn，S，F(xiàn)e的氧化物，屬于氧化物類夾雜。母材鍛件為貝氏體組織，晶粒度約5~15μm，由再結(jié)晶晶粒和變形晶粒組成，變形晶粒上有一定的應(yīng)變積累。當夾雜物存在尖銳角度時(如月牙形的夾雜)，在銳角處容易誘發(fā)裂紋，長度約200μm。夾雜物銳角處在650℃施加0.2%塑性變形時出現(xiàn)裂紋。實際堆焊層下母材在熱循環(huán)下會產(chǎn)生0.2%以上的應(yīng)變損失。當存在尖銳角度的夾雜時，存在引起裂紋的可能。當夾雜物為近似圓形時，高溫拉伸中不易產(chǎn)生裂紋。直徑約50μm的近似圓形夾雜650℃拉伸時雖然夾雜破裂，但在施加0.3%塑性變形時仍未出現(xiàn)裂紋?？锥春蛨A形夾雜物類似，在高溫拉伸時，不易誘發(fā)裂紋。試樣上的孔洞在變形時，都沒有引起裂紋鍛件母材在存在有圓形缺口的條件下，仍有較好的塑性變形能力，斷后伸長率可以達到20%以上。

3.結(jié)論

(1)夾雜物成份主要是Mn，Si，F(xiàn)e的氧化物夾雜.鍛件母材為貝氏體組織，晶粒尺寸約5~15μm，由再結(jié)晶晶粒和變形晶粒組成。

(2)長度約200μm夾雜物銳角處在650℃施加0.2%塑性變形(約200MPa)時出現(xiàn)裂紋。當夾雜存在尖銳角度時，在銳角處容易誘發(fā)裂紋。

(3)直徑約50μm的近似圓形夾雜650℃拉伸時雖然夾雜破裂，但在施加0.3%塑性變形(約220MPa)時仍未出現(xiàn)裂紋，當夾雜物為近似圓形時，高溫拉伸中不易產(chǎn)生裂紋。

(4)孔洞和圓形夾雜物類似，在高溫拉伸時，不易誘發(fā)裂紋.母材在存在有圓形缺口的條件下，仍有較好的塑性變形能力，斷后伸長率達到20%以上。