压力容器钢板SA516Gr70显微组织分析和屈服表面预测

来源:北京科技大学材料科学与工程学院作者:张清辉

用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和背散射电子衍射(EBSD)等实验技术,研究了压力容器钢板SA516Gr70的显微组织和晶粒取向分布。根据多晶体塑性变形模型,预测了钢板的屈服表面。实验和计算结果表明,钢板的显微组织均为铁素体和珠光体,心部晶粒尺寸明显大于表层晶粒尺寸;钢板热轧后的主要织构组分是{111}<110>、{111}<112>和{001}<110>;限制条件对屈服表面影响较大,随着松弛限制的晶粒体积分数增加,屈服表面缩小,沿轧向的平面应变屈服应力逐渐大于沿横向的平面应变屈服应力。

反应堆压力容器以及安全壳对防止核电站事故状态下放射性物质泄漏外逸和安全运行起到很好的保护作用。SA516Gr70钢作为压力容器用钢,对于核电站有着十分重要的作用。显微组织是影响材料性能的重要因素,许多研究表明,低碳钢板经热轧、正火后的组织为典型的铁素体加珠光体组织,并有明显的带状组织出现。钢材内部的带状组织和粒状贝氏体组织是导致SA516Gr70钢板冲击性能不合格的主要原因;在压水堆工作温度范围内,加载速率对SA516Gr70钢板的断裂韧性有很大影响。此外,材料的各向异性也极大程度地影响着材料的性能,产生宏观各向异性的一个主要原因是构成材料的晶粒具有择优取向,即晶体学织构。金属板材的宏观塑性各向异性通常用Lankford系数(r值)和屈服表面来表征。

金属的多晶屈服面是表征塑性变形各向异性的方法之一。对屈服表面进行准确和可靠预测需要一个对材料各向异性很好的物理表达。屈服表面受很多因素影响,最明显的因素是织构和晶粒尺寸。此外,初始各向异性导致塑性变形更为复杂。目前,研究塑性变形的主要物理模型是多晶体塑性变形模型,在这个模型中认为晶体学织构是整个各向异性的主要贡献者。常见的分析宏观各向异性的方法主要有Taylor-Bishop-Hill(TBH)晶体塑性方法和黏塑性自洽方法等。

本文用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和背散射电子衍射(EBSD)等实验技术研究压力容器钢板SA516Gr70的显微组织,并根据多晶体塑性变形模型,模拟其屈服表面,试图为通过控制显微组织达到性能优化提供理论依据。

1、实验材料及方法

实验所用SA516Gr70钢板的主要化学成分如表1所示,钢板厚度为6mm,热处理工艺为:①900℃正火;②900℃正火加600℃回火。

表1 实验用钢的化学成分(质量分数,%)

实验用钢的化学成分

将钢板线切割成金相试样,经过磨制、抛光和侵蚀(侵蚀剂为5%硝酸酒精)后在金相显微镜和扫描电镜下观察显微组织形貌。用配备尤拉环的X射线衍射仪测量钢板的{110}、{200}和{211}极图,用级数展开法计算取向分布函数,用EBSD测量钢板的晶粒尺寸及分布和取向差分布等。

结论

SA516Gr70钢板经正火、正火加回火处理后的显微组织均为铁素体加珠光体,心部的珠光体含量高于表面。回火后带状组织得到改善。回火后晶粒尺寸变大,正火与回火的取向差分布均接近随机分布。SA516Gr70钢板的轧制织构主要为{111}<110>织构、{111}<112>织构和{001}<110>织构。含{111}<110>织构与含{111}<112>织构的屈服表面比较相近,而与含{001}<110>织构的屈服表面有着较大的不同。不同限制条件下的模拟结果差别很大,随着松弛限制的晶粒体积分数的增大,屈服表面缩小;且沿轧向的平面应变屈服应力逐渐大于沿横向的平面应变屈服应力。