核电高性能主螺栓用SA-193GrB7材料的力学性能及其批量生产质量控制研究

核电高性能主螺栓用SA-193GrB7材料的力学性能及其批量生产质量控制研究

曹俊生 ,刘虹伶

   贵州航天新力科技有限公司  贵州遵义  563000

摘要：核电是保障能源供应与安全、保护环境、提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位的重要发展方向。随着核电技术快速发展，对核电用高性能主螺栓提出了更高的要求，工程批量化生产中主螺栓力学性能的实现与批量化生产质量控制成为难题。本文中主螺栓用SA-193GrB7材料按照试验方案进行试验，并对其力学性能进行了测试与分析。结果表明：SA-193GrB7材料的室温屈服强度与抗拉强度成线性关系；随着硬度的提高，室温抗拉强度与高温抗拉强度均呈上升趋势；批量化生产中可以通过控制硬度来实现主螺栓低成本高质量的批量制造。

关键词：核电；主螺栓；SA-193GrB7；强度；性能匹配

1 引言

随着中国核电事业从最初的二代向着三代和四代同步迈进[1-2]，核电高性能主螺栓相应的技术指标大幅度提高，其中SA-193GrB7是核电用高性能主螺栓的主要材料，属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性好，无明显的回火脆性，调质处理后也有很好的疲劳极限和抗多次冲击能力[3-5]。但是工业批量生产中，以下三点问题一直凸显，（1）保证批次性的室温屈服强度与抗拉强度在要求范围内。(2)在保证室温拉伸性能的前提下匹配高温屈服强度与抗拉强度。（3）锻件性能的均匀性。以上三点造成主螺栓产品合格率低、第三方复验不合格等问题，严重影响产品的交货期与安全可靠性，本文从材料的力学性能出发，研究性能指标之间的相互影响，对主螺栓产品的批量生产提供指导。

2 试验方案

2.1 试验方案

本文的材料取自SA-193GrB7的钢锭，冶炼方式为电炉+炉外精炼，原材料经钢锭分料后，进行锻造，锻造过程经三镦三拔后成型，共锻造锻件32根，锻件锻后炉冷，退火后进行粗加工，再将32根锻件同炉热处理。

2.2 理化检测

  热处理后，在每个锻件端部切取室温拉伸试样1个、高温拉伸试样1个、硬度试样1个。力学性能试样的轴线位于1/4直径处。

  室温拉伸试验按照ASTM A370执行，高温拉伸试验ASTM E21执行，拉伸试样的尺寸为标距为50mm,，直径为12.5mm的圆形标准试样。试验设备为CMT5105。硬度试验按照ASTM A370执行，试样经过抛磨后进行硬度测试，试验仪器为HBE-300A。

  热处理后的锻件，截取一个10×10×10的试样，经过砂纸进行磨、抛光后，使用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，腐蚀后使用光学显微镜（AXIO VERT A1）和扫描电镜(EVO/MA 15) 进行观察。

3 试验结果以及分析讨论

3.1.室温拉伸性能

室温拉伸性能的试验结果见图1，拉伸试验中反映强度的指标有2个，一是屈服强度，二是抗拉强度。从图2中可见，32件锻件的屈服强度在830~930MPa之间，抗拉强度在935~1040MPa之间，强度很高，室温抗拉强度随着室温屈服的强度增加而线性增加，两者之间的关系可用数学表达式表示：Y=193+0.89X，其中Y为室温抗拉强度、X为室温屈服强度。材料的强度较高，是由于材料合金元素含量较高、淬透性好、在经历淬火+回火后，得到细小的“回火索氏体”[6]。屈服强度与抗拉强度呈线性关系即“屈强比”大致一致，材料的屈强比跟材料的化学成分、显微组织、变形、热处理制度、强化机制相关[7]，32件锻件的热处理以及变形过程中的部分不均匀导致材料的屈强比有些许差异。

图1 室温屈服强度与室温抗拉强度的关系

3.2 不同硬度对350℃抗拉强度与室温抗拉强度的影响

硬度是局部抵抗硬物压入其表面的能力，硬度的高低代表着材料的软硬。硬度与350℃抗拉强度、室温抗拉强度的关系见图2，从图2中可以看出，硬度值在300~318HB之间，随着硬度增加，其室温抗拉强度与350℃抗拉强度皆呈上升趋势。一般来讲，硬度可以在一定程度上可以代表材料的强度。

图2 硬度与350℃抗拉强度、室温抗拉强度之间的关系

4 主螺栓批量生产质量控制

对于核电高性能主螺栓用SA-193GrB7材料，其性能要求见表1，从其要求可见，其室温屈服强度与室温抗拉强度是范围值，且范围较窄，在限制室温屈服强度与抗拉强度的前提下，其350℃的高温强度要求非常高。上述要求在批量产品制造中难度更大程度上增加。

表1 主螺栓用SA-193GrB7材料性能要求

针对表2中的性能要求，从图4可以看出，高温强度是问题所在，在所生产的32件锻件上，其中有3件高温抗拉强度不合格，实际生产中，我们就应该尽量提高高温抗拉强度，常温性能与高温力学性能之间关系见图5，提高常温下的抗拉强度才能相应提升高温性能，即常温下的力学性能需往上限控制，通过室温抗拉强度与屈服强度的公式可得，当室温抗拉强度达到1034MPa时，其屈服强度为945MPa，小于额定值965 MPa，SA-193GrB7按照抗拉强度上限值进行工艺设计时，其屈服强度符合相对应的要求。

对于批量化生产质量控制而言，产品制造过程中的性能不均匀是难以避免的，如何评估主螺栓材料性能满足表1的要求，途径1：对每件锻件进行力学性能试验，但此方法，对于大批量产品，材料成本与试验费用过高、进度慢，在生产中不可行。途径2：从表1中可以看出，随着抗拉强度的提高，硬度随之也提高，所以可以通过硬度试样来评估材料的性能，从图2中可以得出，对于本文章所研究的SA-193GrB7，硬度值控制在305~321HB之间，合格的产品就可达到97%以上。硬度值控制在310~321HB之间，合格的产品原则上可达到100%。

因此，批量化生产中通过控制硬度来实现主螺栓低成本高质量的批量制造是可行的。

5 结论

（1）SA-193GrB7材料室温屈服强度与抗拉强度成线性关系，可用一次函数Y=193+0.89X表示，其中Y为室温抗拉强度，X为室温屈服强度。

（2）随着试验温度的升高，SA-193GrB7材料的高温力学性能下降，且350℃高温抗拉强度随着屈服强度的增加呈上升趋势。硬度的提高有利于室温抗拉强度与高温抗拉强度的增加。

（3）批量化生产中可以通过控制硬度来实现主螺栓低成本高质量的批量制造。

参考文献：

[1] 赵成昆. Development Status and Outlook for Nuclear Power in China%中国核电发展现状与展望[J]. 核动力工程, 2018, 039(005):1-3.

[2] 张禄庆. 第三代核电技术在中国核电发展中的作用[J]. 国防科技工业, 2007(5):00287-00287.

    [3] 张立晖. 国内外核电发展现状与核电技术对比分析[J]. 中国科技博览, 2014.

[4] 陈俊丹, 莫文林, 王培,等. 回火温度对42CrMo钢冲击韧性的影响[J]. 金属学报, 2012, 48(10):1186-1193.

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    [6]高红梅, 文超, 孙轶山. 显微组织和温度对42CrMo4钢力学性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2018.

[7]吴洪义, 赵彦灵, 苏剑, et al. 油气管线用L360MB钢低屈强比控制工艺研究[J]. 宽厚板, 2019, 25(01):10-16.

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