核电压力容器大型锻件组织与性能研究及热处理数值模拟

摘要

随着第三代核电站的设计寿命和安全要求的提高，压力容器锻件呈现出大型化、一体化的趋势。目前国内核电需求旺盛，研究大型锻件热制造过程的组织性能演变，保障核电大型锻件稳健生产势在必行。本文研究了核电大型锻件 SA508Gr.3钢的相变动力学和组织演变规律，建立了组织与性能之间的定量关系，并采用有限元方法模拟了典型核电压力容器锻件一体化顶盖的调质热处理工艺过程，实现了基于温度场-组织场-性能场的热处理工艺优化。
　　首先，本文研究了 SA508Gr.3钢加热和冷却过程中的相变动力学规律，获得了连续加热奥氏体相变动力学（CHT）、奥氏体等温相变动力学(IHT)、TTT和CCT等整套的相变基础数据；研究了不同回火工艺条件下回火度与时间的关系，建立了描述回火过程的动力学曲线。采用JMAK方程描述扩散型相变，包括奥氏体化相变、贝氏体相变和回火转变，分别确定了三类相变动力学方程中的各个模型参数，包括指数n，指前因子lnk0，相变激活能Q等。采用K-M方程描述马氏体相变，确定了与温度相关的模型参数α。
　　其次，研究了 SA508Gr.3钢加热、冷却及回火过程中的组织演变规律。对于初始为贝氏体和铁素体的正火组织，在奥氏体化加热过程中，奥氏体首先在晶界或板条界处形核长大，富碳的贝氏体区域先于贫碳的铁素体区域发生奥氏体相变。探讨了连续冷却过程中不同冷速条件下马氏体组织、马氏体贝氏体混合组织、混合贝氏体组织以及先共析铁素体贝氏体混合组织的形成机理和形貌，同时确定了发生马氏体相变的临界冷速约为50℃/s，不发生铁素体转变的临界冷速约为1℃/s。结合热力学计算和显微结构分析，表征了淬火组织在回火过程中的主要变化，包括M/A的分解、碳化物的析出和粗化、以及贝氏体铁素体在高温下的再结晶。
　　再次，研究了奥氏体晶粒度、贝氏体条束尺寸、M/A相的体积分数、碳化物尺寸及分布等对力学性能的影响。结果表明，粗大奥氏体晶粒、块状铁素体组织、M/A相、晶界大颗粒碳化物均不利于冲击性能；应在保证奥氏体化完全的前提下应尽量降低奥氏体化温度，提高淬火冷速以避免块状铁素体出现，采用适当的回火工艺以消除M/A相和晶界大颗粒碳化物。在此基础上确定了SA508 Gr.3钢的调质热处理加热、淬火、回火的工艺窗口，即：奥氏体化温度为890~910℃，淬火无铁素体形成的临界冷速为1℃/s，回火温度为640℃~655℃，回火时间为5h~10h。建立了基于各相硬度及体积分数加权平均方法的淬火组织硬度预测模型，利用回火动力学方程可进一步获得材料回火后的硬度和强度。确定了示波冲击曲线上决定材料冲击性能的三个关键参数（屈服载荷、最大载荷、非稳定裂纹扩展位移）与硬度的量化关系，建立了基于冲击断裂机制的材料冲击功预测方法。
　　最后，采用本文确定的相变动力学模型和建立的力学性能预测方法，对 SA508 Gr.3钢一体化顶盖大型锻件的调质热处理过程进行了温度-组织-性能多场耦合的模拟，优化了加热、淬火和回火工艺。模拟结果表明：在440℃/2h和650℃/5h阶梯加热条件下，900℃保温7.5h可保证大型锻件的温度场均匀。对比碗口向上和碗口向下两种吊装方式，采用碗口向上吊装淬火方式取样位置的平均冷速约为1.1℃/s，达到无铁素体形成的临界冷速，而碗口向下的平均冷速仅为0.3℃/s。对碗口向上淬火的锻件，在650℃回火8h后能得到相对均匀的性能场。
　　本文在研究SA508Gr.3钢相变过程工艺-组织-性能关系的基础上，通过调质热处理全过程的数值模拟，获得了一体化顶盖大型锻件在奥氏体加热、淬火冷却及回火过程中的组织演变规律，确定了调质热处理过程的温度-组织-性能的时间和空间分布，进一步优化了热处理工艺，并在生产实践中得到了应用验证。

目录

1.1 引言

1.2 核电站、反应堆与核电压力容器

1.3核电压力容器用SA508 Gr.3钢

1.4 核电压力容器锻件的热制造

1.5 核电压力容器大型锻件的热处理

1.6 核电压力容器用钢调质热处理涉及的相变基础

1.7 大型锻件热处理有限元模拟

1.8 本文研究内容

1.9 参考文献

2.1 引言

2.2 材料

2.3 热模拟实验

2.4 力学性能测试

2.5 微观组织表征

2.6 计算软件

2.7 参考文献

3.1 引言

3.2 实验

3.3SA508 Gr.3钢的奥氏体化相变动力学

3.4SA508 Gr.3钢奥氏体化过程的组织演变

3.5SA508 Gr.3钢过冷奥氏体分解转变动力学

3.6SA508 Gr.3钢过冷奥氏体分解过程的组织演变

3.7SA508 Gr.3钢淬火组织回火动力学

3.8SA508 Gr.3钢淬火组织回火过程的组织演变

3.9 本章小结

3.10 参考文献

4.1 引言

4.2 实验

4.3 奥氏体晶粒度对力学性能的影响

4.4 淬火冷速对力学性能的影响

4.5 M/A相对低温冲击性能的影响

4.6 晶界碳化物对低温冲击性能的影响

4.7 强度及冲击性能的预测

4.8 本章小结

4.9 参考文献

5.1 引言

5.2 热处理数学模型

5.3 热处理数值模拟输入参数

5.4 锻件奥氏体化过程的模拟

5.5 锻件淬火过程的模拟

5.6 回火过程的模拟

5.7 工艺优化及验证

5.8 本章小结

5.9 参考文献

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 研究展望

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文

学术会议论文

专著

申请的专利

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢

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