Влияние режимов термической обработки на механические свойства Сг—М—Мо—У-стали для изготовления корпусов реакторов

В нашей стране для корпусов реакторов 1 типа ВВЭР мощностью 1000 МВт применяется перлитная Сг—N1 — Мо — У-сталь. Механические свойства этой стали в значительной степени определяются режимом термической обработки.
Исследования показали, что температура аустенизации, продолжительность выдержки при' этой температуре, скорость охлаждения, а также продолжительность и температура отпуска существенно влияют на механические свойства корпусной стали. Исследования проводились на промышленном металле (масса слитка 191 т) после предварительной термической обработки, заключающейся в отжиге при температуре 890°С в течение 9ч с последующим медленным охлаждением до 250°С, выдержкой при этой температуре в течение 12 ч и отпуске при 650— 670°С в течение 75 ч. Окончательные режимы термической обработки проводились на заготовках сечением 40X40 мм, вырезанных из поковки в тангенциальном направлении.
Влияние температуры аустеиизации на механические свойства корпусной стали.
Для исследования был выбран диапазон температур 870—950°С с интервалом в 20°С. Заготовки выдерживались при этих температурах в течение 2 ч, после чего охлаждались на воздухе. Скорость охлаждения на воздухе заготовок сечением 40X40 мм примерно соответствует скорости охлаждения штатных обечаек с толщиной стенки 300 мм на глубине 1/3 толщины при закалке в воду. Все заготовки были отпущены при температуре 650°С в течение 10 ч.
Результаты испытания образцов представлены на рис. 1. Из приведенных данных следует, что с повышением температуры аустенизации с 870 до 950°С прочностные свойства полученные при температуре испытания +20°С, изменяются по кривой с максимумом, а при температуре +350°С — возрастают; пластические свойства практически не изменяются, ударная вязкость а* , определенная на образцах Шарпи с острым надрезом, уменьшается. Отмеченный факт снижения ударной вязкости объясняется увеличением размера зерна с повышением температуры аустенизации.
Влияние длительности нагрева при температуре аустенизации 920°С на механические свойства корпусной стали.
Заготовки прошли термическую обработку по режиму: 920°С, выдержка в течение 1, 2, 4 и 8ч, охлаждение на воздухе + отпуск при 650°С в течение 10 ч.
Результаты испытания образцов приведены на рис. 2. Из полученных данных следует, что с увеличением длительности выдержки более 2 ч при температуре аустенизации наблюдается повышение прочностных свойств и а0,2, а также ударной вязкости а*упри—20°С, пластические же свойства при этом практически не меняются (лишь при температуре испытания +20°С незначительно падает с увеличением выдержки от 2 до 4 ч). Исследование микроструктуры показало, что сталь не склонна к росту зерна при нагреве ее при 920°С даже в течение 8 ч.
Влияние скорости охлаждения с 920°С на механические свойства корпусной стали.
Заготовки сечением 40X40 мм после выдержки в течение 2 ч при температуре аустенизации 920°С охлаждались в масле, на воздухе и с печью, а затем отпускались при температуре 650°С в течение 10 ч. Результаты испытания образцов представлены на рис. 3. При охлаждении заготовок в масле и на воздухе прочностные В а0,2 и пластические б, т]) свойства стали на одном уровне, а ударная вязкость особенно при —20°С,Фри уменьшении скорости охлаждения значительно снижается. При охлаждении заготовок с печью, т. е. когда скорость охлаждения минимальная, наблюдается снижение и прочностных свойств ав, а0,2 и ударной вязкости при комнатной температуре. Снижение ударной вязкости может быть объяснено изменением фазового состава карбидов и степени их дисперсности. Действительно, исследования показали, что в том случае, когда охлаждающей средой является масло, в стали обнаруживаются две карбидные фазы М7С3 и М3С. Охлаждение на воздухе приводит к появлению третьей карбидной золы М23Се. При еще более медленном охлаждении с печью увеличивается относительная доля цементита в карбидной фазе. Таким образом, уменьшение скорости охлаждения металла сопровождается увеличением относительной доли карбидов М3С и Ре21Мо2Св и уменьшением доли карбида хрома М7С3. Кроме того, степень дисперсности карбидов возрастает с увеличением скорости охлаждения от температуры аустенизации.
Влияние температуры и длительности отпуска на механические свойства корпусной стали.
В процессе изготовления корпуса реактора его необходимо неоднократно отпускать (отпуск для формирования структуры, технологические отпуска для снятия напряжений после сварки). Поэтому вопрос о параметрах отпуска (продолжительность и температура) является весьма актуальным. В связи с этим проводилось системное изучение влияния параметров отпуска на механические свойства корпусной стали. Для этого заготовки после -термообработки при нагреве до температуры 920°С в течение 2 ч и охлаждении на воздухе подвергались отпуску при' температурах 630°С, 650°С и 670°С продолжительностью 5, 10, 25 и 50 ч. Результаты испытаний приведены на рис. 4, а, б и в.
Из  полученных данных следует:
1. С ростом температуры отпуска (при соответствующей продолжительности) прочностные свойства <7в, а0,2 ла" дают, а пластические б, г[) и ударная вязкость возрастают.
2. С повышением температуры отпуска прочностные свойства падают интенсивнее. Действительно, после отпуска продолжительностью 25 ч при температуре 630°С предел прочности о^20°с составляет 80—82 кгс/мм2, при 650°С — 75 кгс/мм2 и при 670°С — 65 кгс/мм3,
3. Температура отпуска оказывает значительное влияние и на ударную вязкость. Так, после отпуска в течение 25 ч при температуре 630°С ударная вязкость а1Иуу определенная при температуре+20°С, составляет 8 кгс-м/см2, при 650°С—15 кгс*-м/сма, при 670°С — 21 кгс-м/см2.
4. Продолжительность отпуска действует в том же направлении, что и температура, т. е. с увеличением длительности отпуска (при соответствующей температуре) прочностные свойства <7в, а0,2 падают, а пластические б, г[) и ударная вязкость возрастают. Например, после отпуска при температуре 650°С продолжительностью 5 ч предел прочности о^20 с составляет 90 кгс/мм2, ударнаятмасло Воздух Печь Охлажденная среда вязкость, определенная при температуре +20°С, составляет 5 кгс*м/см2; увеличив длительность отпуска до 25 ч, получаем о^20°с= 75 кгс/мм3, 15 кгс-м/см2;
дальнейшее увеличение продолжительности отпуска до 50 ч приводит к снижению предела прочности до 70 кгс/мм2 и увеличению ударной вязкости до 20 кгс-м/см2.
5.            С дальнейшим увеличением продолжительности отпуска замедляется падение прочностных свойств <Тв> ^0,2-
Отмеченные закономерности: снижение прочностных и рост пластических свойств и ударной вязкости с увеличением температуры и длительности отпуска связаны с характером выделяющейся при отпуске карбидной фазы. Исследования показали, что варьирование режимов отпуска корпусной стали оказывает влияние на кинетику выделения карбидов.
При увеличении длительности выдержки при постоянной температуре наблюдается увеличение количества карбидов М7Сз (на более ранней стадии) и карбидов Ре21Мо2Св. С увеличением температуры отпуска скорость выделения карбидов возрастает.
Влияние длительности дополнительных отпусков при 620°С и 650°С на механические свойства корпусной стали.
Изучение проводилось на металле, прошедшем термообработку по двум режимам:
1. 920°С — 2 ч, воздух + отпуск 650°С — 10 ч, охлаждение с печью + дополнительный отпуск 620°С — 35 ч, охлаждение с печью;
2. 920°С — 2 ч, воздух + отпуск 670°С — 10 ч, охлаждение с печью + дополнительный отпуск 620°С -т- 35 ч, охлаждение с печью.
2 ч, воздух + отпуск при 670°С, заготовки сечением 40x40 мм) на механические свойства корпусной стали при:
в — 650°С (термообработка:   920°С — 2 ч, воздух + отпуск 650вС — 10 ч, охлаждение с печью + дополнительный отпуск 620°С — 35 ч, охлаждение с печью 4* дополнительный отпуск при 650°С. Заготовки тсечением    40X40 мм);                6 — 650°С (термообработка:   920°С — 2ч, воздух 4- 650°С — 10ч. Охлаждение с печью + дополнительный отпуск 620°С — 35 ч, охлаждение с печью + дополнительный отпуск при 650°С, заготовки сечением 40x40 мм) на металл, обработанный по 1-му режиму, хотя и приводит к снижению прочностных свойств, но они удовлетворяют предъявляемым требованиям (суммарная продолжительность всех отпусков при этом составляет 85 ч). Дополнительный отпуск при 650°С, наложенный на металл, обработанный по 2-му режиму, обеспечивает необходимый Комплекс механических свойств при продолжительности до 30 ч.
Выводы.
Оптимальной температурой нагрева под закалку является интервал 900—920°С. Повышение температуры аустенизации до 950°С создает опасность роста зерна, вследствие чего сталь может иметь пониженную ударную вязкость. Сталь не склонна к росту зерна при нагреве ее длительное время (до 8 ч) при температуре 920°С. Скорость охлаждения при закалке оказывает существенное влияние на механические, свойства, особенно на ударную вязкость корпусной стали, для получения высокого комплекса механических свойств необходимо по возможности ускоренное охлаждение стали при закалке. Сталь является отпускоустойчивой при дополнительных отпусках при температуре 620°С продолжительностью 35 ч + при 650°С — 30—40 ч.