Современная тенденция развития атомного энергомашиностроения — возрастание единичной мощности энергоблоков, вызывает необходимость уделять особое внимание проблеме нх надежности и долговечности. Известно, что достигнуть желаемого уровня всего комплекса свойств, гарантирующих надежность н долговечность стальных изделий, помимо регулирования химического состава, способов выплавки н деформационной обработки, возможно также выбранными рациональными методами термической обработки. Одним из новых перспективных направлений в развитии термической обработки металлов и сплавов в последнее время следует считать способ термоциклической обработки (ТЦО) [1, 2, 3], заключающийся в ускоренном нагреве стали в меж-критический интервал температур и последующим охлаждением с необходимой скоростью.
В связи с этим в ПО «Ижорский завод» в последнее время проводятся исследования по выяснению влияния этого вида обработки на механические свойства корпусных реакторных сталей. Предварительные лабораторные исследования показали, что термоциклирование положительно влияет на механические свойства сталей перлитного класса, в связи с чем было решено провести исследование структуры и механических свойств корпусной стали 22К электрошлакового переплава после различных термических обработок в промышленных условиях.
Для оценки влияния скорости нагрева и охлаждения решили одну заготовку подвергнуть штатной термической обработке (нормализация — ШТО), вторую термоциклировали в соляной ванне (ТЦОСВ) с последующим охлаждением в воде. Для этой цели из толстолистового нетермообработанного проката были вырезаны кубические пробы с ребром 160 мм. Из этого же листа вырезали карточку размером 1300X1100X160 мм для термоциклической обработки в газовой камерной печи с охлаждением на воздухе (ТЦОВ). Скорость нагрева карточки при ТЦОВ и пробы при нормализации составляла 4 °С/мин, а пробы в соляной ванне 19 °С/мин.
Границы межкритического интервала температур устанавливались записью магнитогравитермической диаграммы (МГТ-диаграммы) образцов исследуемой стали на термоанализаторе ТА-1 фирмы «Метлер» (рис. 1). Как видно из рисунка, где зафиксированы кривые нагрева (Т), изменение веса (О) образца и их дифференциальные характеристики фТА и ОТО), фазовая перекристаллизация стали при нагреве со скоростью 6 °С/мин происходит в интервале температур 735 (ЛС1)...850°С (ЛСз). Установлено, что при однократном нагреве в межкритический интервал вязкие характеристики возрастают на 50...60 %, однако коэффициент кристалличности (К — отношение площади кристаллической составляющей в изломе ко всей площади излома, выраженное в долях) приобретает стабильное минимальное значение после трехкратной перекристаллизации. Исходя из этого, режим ТЦО был выбран следующим: трехкратный нагрев в межкритический интервал температур с промежуточными охлаждениями до температур ниже Ат% (—600 °С), после чего металл подвергался штатному технологическому отпуску.
На рис. 2 представлена микроструктура стали в состоянии после прокатки, нормализации и ТЦО на воздухе и в соляной ванне. Видно, что нормализация изменяет величину зерна проката всего лишь с 5-го до 6-го балла, в то время как ТЦО приводит к резкому его измельчению до 9... 12-го балла при обработке на воздухе и в соляной ванне соответственно. Оценка производилась по ГОСТ 5639—69.
Зависимость прочностных и пластических свойств стали от вида термической обработки, представленная на рис. 3, показывает, что эти характеристики при комнатной и повышенной температурах испытаний почти не реагируют на замену нормализации термоциклической обработкой для исследуемых сечений. Наблюдается лишь некоторое возрастание при повышенной температуре (270 °С) испытаний поперечного сужения.
В связи с резким измельчением зерна при ТЦО стали в соответствии с уравнением Петча — Холла следует ожидать заметного изменения ее вязких характеристик. Действительно, как видно из рис. 4, ударная вязкость, определенная на образцах типа КСу по ГОСТ 9454—78, оказалась характеристикой весьма чувствительной к замене нормализации термоциклированием. С возрастанием при ТЦО стали ударной вязкости более чем в 2 раза коэффициент кристалличности (К) снижается до своего минимального значения, причем процент прироста ударной вязкости более значителен на образцах, испытанных при отрицательных температурах, и, как следствие этого, критическая температура перехода в хрупкое состояние значительно смещается в область пониженных температур. Это объясняется эффектом перераспределения избыточных фаз на значительно большей общей протяженности границ измельченного зерна.
На рис. 5 представлена температурная зависимость доли волокна в изломе для исследованных видов термической обработки, построенная по методике [3]. Видео, что ТЦО стали, особенно при повышенных скоростях нагрева ТЦСВ, значительно увеличивает энергоемкость работы разрушения и смещает эту зависимость в область более отрицательных температур.
Выводы
1. Трехкратной перекристаллизацией в результате ТЦО толстолистового проката перлитной стали 22К-Ш формируется мелкозернистая структура, обеспечивающая повышение вязких характеристик.
2. Критическая температура ГКо перехода в хрупкое состояние при ТЦО на воздухе снижается по сравнению с нормализацией на 25 °С.
3. Показано, что ТЦО стали — эффективное мероприятие, позволяющее увеличить ее сопротивление хрупкому разрушению и создать дополнительный резерв характеристик надежности и долговечности инженерных конструкций из стали типа 22К.
