奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能、力學性能、加工性能和焊接性能，廣泛用作壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件材料，其組織主要為奧氏體相。為了避免奧氏體不銹鋼在焊接過程中于熔合區(qū)產(chǎn)生熱裂紋 ，室溫下其焊縫組織中會存在5%～12%(質(zhì)量分數(shù))的鐵素體。早期的研究表明，鐵素體不銹鋼長期在核電站運行溫度(280～325℃)下的服役過程中，鐵素體相會Spinodal分解成富含鐵的α相和富含鉻的α相，導(dǎo)致其斷裂韌性嚴重下降。

國內(nèi)外已對壓水堆鑄造奧氏體不銹鋼 (CASS)主管道熱老化問 題進行了深入研究，結(jié)果表明，CASS在核電站運行溫度下的長期服役過程中，鐵素體相極易發(fā)生熱老化脆化，導(dǎo)致材料的韌性降低、硬度增大;在低溫老化時鐵素體中會發(fā)生沉淀相析出，在更高的溫度下，G相將在鐵素體中析出，富鉻的M23C6沉淀相將在奧氏體和鐵素體界面上析出。

目前，國外已對壓水堆核電站 CASS的熱老化性能和機理開展了大量研究，在很大程度上指導(dǎo)了現(xiàn)役核電站主管道 的熱老化管理，降低了熱老化脆化造成的風險。 但到目前為止，國內(nèi)很少有人關(guān)注堆內(nèi)構(gòu)件用奧氏體不銹鋼焊縫的低溫熱老化脆化行為 ，也未見關(guān)于奧氏體不銹鋼焊縫在核電站運行溫度下長期服役過程 中的微觀組織和力學性能變化的相關(guān)報道。

另外由于實際服役條件下不銹鋼焊縫的熱老化速度很緩慢，因此開展服役溫度下的熱老化研究存在很大困難，加之溫度低于400℃的熱老化機理與服役溫度(320℃)下的熱老化機理相同。 因此作者擬開展304不銹鋼焊縫在325，365，400℃下的加速熱老化試驗，研究其熱老化不同時間后的組織和性能，希望為壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的熱老化性能評價和熱老化管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為中國第一重型機械集團公司生產(chǎn)的壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件材料304奧氏體不銹鋼，焊絲材料和焊接方式均與實際堆內(nèi)構(gòu)件的相同。焊接形式為板材對接焊，板材厚度為40mm，坡口形式為V型， 焊絲為1.2mm的308L不銹鋼，焊接工藝為熱絲TIG(鎢極氬弧焊)自動焊，焊接速度和電壓分別為140mm·min-1和11V。304銹鋼和308L焊絲的化學成分見表1，304不銹鋼的室溫拉伸性能如表2所示。

表 1 304奧氏體不銹鋼和 308L 焊絲的化學成分(質(zhì) 量分數(shù))

表 2 304奧氏體不銹鋼的室溫拉伸性能

如圖1所示截取70 mm×40 mm×20 mm的試樣(焊縫位于試樣中心)進行熱老化試驗 ，將其置于KSL1200M型箱式熱老化爐中 ，分別升溫至和焊接方式均與實際堆內(nèi)構(gòu)件的相同。焊接形式為板材對接焊，板材厚度為40mm，坡口形式為V型， 焊絲為1.2 mm 的308L不銹鋼，焊接工藝為熱絲TIG(鎢極氬弧焊 )自動焊，焊接速度和電壓分別為140 mm·min-1和11V。304不銹鋼和308L 焊絲的化學成分見表1，304 不銹鋼的室溫拉伸性能如表2所示。

如圖1所示截取70mm×40mm×20mm的試樣(焊縫位于試樣中心)進行熱老化試驗 ，將其置于KSL1200 M 型箱式熱老化爐中 ，分別升溫至25，365，400 ℃，升溫速率為 10 ℃ · min-1，熱老化時間分別為 0，1000，3000，6000h，冷卻方式空冷。

圖 1 夏比沖擊試樣和拉伸試樣的取樣示意

1.2 試驗方法

在熱老化前后的試樣上截取20mm×10mm× 10 mm 的焊縫金屬，經(jīng)機械拋光和5g三氯化鐵50mL濃鹽 酸 +100mL水腐蝕 后，采用奧林巴斯GX71型光學顯微鏡觀察顯微組織;采用 Fischer FERITSCOPE MP30 型鐵素體儀測 鐵素體相的體積分數(shù);采用JEOLJXA8100 型電子探針測奧氏體 和鐵素體中主要合金元素的含量;采用FM-700型顯微硬度儀測焊縫 的顯微硬度，載荷為0.25 N，保載 時間為20s;采用JB-300S型沖擊試驗機和WDW-100C型電子萬能試驗機分別測焊縫的室溫沖擊功和拉伸性能 (均 取2件平行試樣的平均值 )，從70 mm×40 mm×20 mm 試樣的1/4T處切取標 準夏比沖擊試樣以及截面積為4.0 mm×1.8 mm、標距為8mm的拉伸試樣，如圖1所示，沖擊試驗和拉伸試驗分別按照 GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》和GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法 》進行，拉伸試驗的加載速率為0.1kN·s-1，焊縫位于試樣的中心位置。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

原始焊縫由奧氏體相和鐵素體相組成 ，鐵素體為蠕蟲狀、帶狀形貌，如圖 2(a)所 示;在不同溫度熱老化6000h后，焊縫組織未發(fā)生明顯變化，仍由奧氏體相和鐵素體相組成，形貌亦基本未變，熱老化后焊縫組織的典型形貌如圖2(b)所示。

熱老化后，焊縫區(qū)鐵素體的體積分數(shù)沒有明顯 變化。原始焊縫中鐵素體的體積分數(shù)為11.0% ～ 12.7%，平均值為 12%;在400 ℃熱老化6000h 后，鐵素體的體積分數(shù)為10.5% ～12.8%，平均值為11.8%。

(a) 熱老化前 (b) 400 ℃熱老化 6000h

圖 2 304奧氏體不銹鋼焊縫熱老化前后的顯微組織

由表3可見，熱老化前后，焊縫中鐵素體相和奧氏體相的主要組成元素相同，均主要為鐵、鉻、鎳、 錳、硅;此外，熱老化前后鐵素體相中的鉻含量均較高，而奧氏體相中的鎳、錳含量均較高，各元素在兩相中的分布沒有明顯變化。

表3在不同溫度熱老化6000h前后304奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體相和奧氏體相中主要合金元素的含量(質(zhì)量分數(shù))

2.2 力學性能

2.2.1 顯微硬度

圖3 304奧氏體不銹鋼焊縫及奧氏體顯微硬度與熱老化時間的關(guān)系曲線

由圖3可知，304奧氏體不銹鋼焊縫的顯微硬 度隨熱老化時間的延長而增大，熱老化溫度越高，顯微硬度越大;在325℃和400℃下熱老化6000h后，顯微硬度較熱老化的分別增加了13.2% 和 32.6%;另外，焊縫中奧氏體相的顯微硬度沒有明顯變化。焊縫主要由奧氏體相和少量鐵素體相組成， 故而焊縫顯微硬度的增大主要是由于鐵素體相硬度增大造成的。奧氏體不銹鋼熱老化后，鐵素體相發(fā)生Spinodal分解，或 α′相析出導(dǎo)致鐵素體中的 α-α′不匹配，或者鐵素體中的G相析出，這都將導(dǎo)致鐵素體的硬度升高[5，9]。

2.2.2 沖擊功

由圖4可知，與熱老化前相比，304奧氏體不銹鋼焊縫在不同溫度下熱老化6000h后，沖擊功均 顯著降低，且熱老化溫度越高 ，沖擊功降低得越明顯;在325℃和400℃熱老化后，焊縫沖擊功分別下降了19% 和 28%。 研究表明[10-11]，焊縫沖擊韌性降低是由熱老化后鐵素體硬化進而導(dǎo)致鐵素體區(qū)在沖擊作用下更早斷裂造成的，根本原因在于熱老化后鐵素體中析出了富含鐵的 α相和富含鉻的 α′相， 這兩相的互連結(jié)構(gòu)增加了位錯運動的阻力 ，使位錯的滑移運動變得更加困難 ，從而導(dǎo)致熱老化后焊縫 的沖擊韌性降低。

圖4 304奧氏體不銹鋼焊縫在不同溫度熱老化6000h前后的沖擊功

2.2.3 拉伸性能

由表4可以看出，與熱老化前相比，304奧氏體不銹鋼焊縫在325，365，400℃熱老化6000h后的力學性能變化不大，抗拉強度和屈服強度均只有小幅增加，伸長率則有小幅降低，這與Vitek 等[11]的研究結(jié)果相符。此外，熱老化溫度越高，焊縫力學性能的變化就越大;拉伸斷口均位于焊縫區(qū) 。

表 4 304奧氏體不銹鋼焊縫在不同溫度熱老化6000h前后的拉伸性能

3 結(jié) 論

(1)304奧氏體不銹鋼焊縫在 325，365，400 ℃ 熱老化前后的組織均由奧氏體相和鐵素體相組成，且均為蠕蟲狀、帶狀形貌，鐵素體相和奧氏體相中的主要元素含量均沒有明顯變化。

(2)隨熱老化時間的延長，304奧氏體不銹鋼焊縫的顯微硬度逐漸增大，且熱老化溫度越高，顯微硬度越大，但焊縫中奧氏體相的顯微硬度沒有明顯變化。

(3)與熱化前相比，04奧氏體不銹鋼焊縫在325，365，400℃熱老化6000h后的沖擊功顯著降低，且熱老化溫度越高，沖擊功越低。

(4)與熱老化前相比，304奧氏體不銹鋼焊縫在325，365，400℃熱老化6000h后的拉伸性能變化較小，抗拉強度和屈服強度有小幅增加 ，伸長率則有小幅降低;熱老化溫度越高，焊縫力學性能的變化越大。