CN102353566A

CN102353566A - 核电压力容器用钢热变形组织的显示方法

Info

Publication number: CN102353566A
Application number: CN2011101566361A
Authority: CN
Inventors: 郝露菡; 孙明月; 李殿中
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: CN102353566B

Abstract

本发明涉及金相样品制备与奥氏体晶粒显示技术领域，具体为一种涉及核电压力容器用低碳低合金钢热变形后原始奥氏体晶粒的显示方法，用于解决核电压力容器用SA508-3钢热变形组织奥氏体晶粒显示问题。本发明方法包括热变形样品的制备，金相样品的磨制和抛光，样品的化学浸蚀，以及选择性的机械抛光。本发明通过过饱和苦味酸溶液和洗发膏的合理配比(苦味酸与洗发膏的重量比为1∶1)，以及水浴温度(80～90℃)与腐蚀时间(3～5min)的选择，可清晰地显示出SA508-3钢于800～1200℃热变形后淬火组织的原始奥氏体晶粒，可为研究核电压力容器用钢的再结晶规律及优化核电压力容器用钢的热变形工艺提供重要依据。

Description

核电压力容器用钢热变形组织的显示方法

技术领域

本发明涉及金相样品制备与奥氏体晶粒显示技术领域，具体为一种涉及核电压力容器用低碳低合金钢热变形后原始奥氏体晶粒的显示方法，在对不同变形速率与变形温度变形后的原始奥氏体组织评定的过程中，可获得清晰且完整的原始奥氏体晶界，从而得到准确的晶粒度统计结果，为研究其在热变形过程中奥氏体的再结晶规律提供便利。

背景技术

目前，SA508-3钢是核电反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器等大型压力容器的主体材料，它属于低碳低合金贝氏体钢(成分见表1)。众所周知，反应堆压力容器体积大，重量高，属于(特)大型锻件。随着核电站安全性要求日益严峻，减少压力容器各组成部分之间焊缝的数量成为必然趋势。因此，压力容器进一步向一体化和大型化的方向发展。例如：某型号压力容器的接管段部件外径将近5m，壁厚385～585mm，锻件重达188t。然而，核电一体化和大型化的发展趋势必然会对组织和性能提出更高的要求。对于常年在高温、高压及辐照条件下服役的大型核电部件，在服役之前就必须有足够的强度和韧性储备，以避免其在服役过程中失效而产生不可估量的损失。一般来说，当钢种的成分确定后，各项性能指标的提高基本完全依赖于对其微观组织的调整。对于大型锻件而言，高温锻造的热变形过程中对原始奥氏体晶粒尺寸的调整，决定着后续组织的粗细与均匀化程度，是晶粒细化的重要途径之一。因此，研究核电压力容器用SA508-3钢在热变形过程中原始奥氏体晶粒尺寸随变形温度与变形速率变化之间的关系，实现控制锻造，是非常重要的。其中，如何清晰且完整的显示热变形后原始奥氏体晶粒是关键所在。

原奥氏体晶粒的显示方法有很多，如网状铁素体/珠光体法、网状渗碳体法、马氏体腐蚀法、加热缓冷法、氧化法、化学浸蚀法及电解腐蚀法等，其中化学浸蚀法因为简单且易操作应用最为广泛。最常用的化学浸蚀剂是饱和苦味酸水溶液(C₆H₂OH(NO₂)₃)，在显示原奥氏体晶界时通常需要加入一些表面活性剂以方便去除饱和苦味酸水溶液在钢表面形成的钝膜。然而，这种浸蚀剂被认为仅对淬火后的中、高碳钢浸蚀效果明显，这可由发表在理化检验.物理分册1999年06期《一种显示奥氏体晶界的方法》中对五种不同成分的钢原始奥氏体晶粒浸蚀难易程度的比较得到证实，而对于低碳钢低合金钢，特别是含磷量低于0.01wt％的关键部件用纯净钢，具体实验表明，通过室温长时间浸蚀或将浸蚀液煮沸后多次擦拭，均不能使得原始奥氏体晶界清晰的显现。人们在不断的摸索对于低碳低合金钢原始奥氏体晶界显示的问题，大部分集中在对管线钢及船板用钢的研究上，例如《显示X70及以上强度级别管线钢原始奥氏体晶粒的方法》(专利号：201010131378.7)、《一种显示高强度船板钢原始奥氏体晶粒的方法》(专利号：200810200315.5)及王劲，肖福仁等对X70管线钢奥氏体晶界浸蚀方法的研究等，而对于核电压力容器用钢的相关研究，尚未见报道。另外，针对“低碳低合金钢”奥氏体晶粒显示方法的专利《一种清晰显示低碳低合金钢奥氏体晶粒的方法》(专利号：200810079326.2)仅适合碳含量≤0.10％的微合金钢，而且此方法浸蚀时间为40～60min，浸蚀效率较低。综上所述，研究一种适用于核电压力容器用低碳低合金钢的原始奥氏体晶粒显示方法很必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单且高效的用于清晰显示核电压力容器用钢热变形后原始奥氏体晶粒的显示方法，解决此类低碳低合金钢原始奥氏体晶粒较难显示的问题，为研究其在热变形过程中奥氏体再结晶规律及优化高温锻造时的热加工参数提供理论依据。

本发明的技术方案为：

一种核电压力容器用钢热变形组织的显示方法，包括：热变形样品的制备，金相样品的磨制和抛光，样品的化学浸蚀，以及选择性的机械抛光。其详细步骤如下：

1.热变形样品的制备：

a)样品的机加工：将核电压力容器用钢机加工成直径6～8mm，高10～15mm的小圆柱，表面磨光，且表面光洁度在

以上。b)热变形过程：在热模拟实验机上对圆柱样品进行热压缩变形，变形温度为800～1200℃，应变速率为0.001～10/s，应变量为20～80％(对应的真应变范围为0.2～1.6)，变形结束后立即取出样品并淬入水中。c)金相样品的切取和镶制：使用电火花线切割或精密切割锯将热变形淬火后的饼状样品沿中心轴线方向一分为二，取热变形样品的中心纵截面为金相观察面进行镶制，为后续金相样品的制备做准备。

2.金相样品的磨制和抛光：

a)样品的粗磨：切好并镶起的样品心部逐步经过180#→320#→600#→1200#的氧化铝(或碳化硅)耐水砂纸研磨，研磨盘的转速设定为200～500rpm，每次换下一道次砂纸，需将样品沿磨制面旋转90度，以使得新一道次的磨痕垂直或近似垂直于上一道次的磨痕，研磨至新一道次的磨痕盖住上一道次的磨痕为止，磨制时使用自来水做润滑剂。b)样品的精磨：将粗磨后的样品在2000#的碳化硅耐水砂纸上进行研磨，研磨盘的转速设定为200～300rpm，避免转速过高而产生较深磨痕，沿上一道次磨痕垂直的方向研磨至不可见上一道次磨痕为止。c)样品的抛光：将经过2000#碳化硅水砂纸磨光后的试样置于毛料抛光布上抛光，使用2.5μ的金刚石抛光膏抛光，使用自来水作为润滑剂，转速为600～800rpm，获得光亮且没有麻点的抛光面，使用水和酒精依次冲洗并使用吹风机吹干。

3.样品的化学浸蚀：

a)浸蚀液的配制：将4～5g苦味酸溶解至盛有100ml蒸馏水的烧杯中，制备过饱和苦味酸水溶液，其间一边加热一边搅拌均匀，使加热至70～80℃时仍有部分苦味酸未完全溶解，以保证此温度区间内苦味酸水溶液过饱和，此时溶液透明呈暗黄色。之后称重4～5g洗发膏并放入配制好的过饱和苦味酸水溶液中，搅拌均匀，此时深黄色透明溶液变为浅黄非透明状。b)化学浸蚀：用50ml的小烧杯取出适量(保证能完全浸没放入的样品)配制好的浸蚀液放入80～90℃的水浴中保持至恒温(浸蚀液温度约为70～80℃)，之后将抛光后的样品放入浸蚀液中，磨光面朝上，初次腐蚀3～5min后取出，在自来水下冲洗腐蚀后的黄褐色产物，并同时使用脱脂棉擦拭浸蚀样品表面，之后用酒精冲洗并使用吹风机吹干。

4.机械抛光：在金相显微镜下初步观察，取腐蚀过深的样品置于毛料抛光布上轻轻抛光，不使用抛光膏，轻抛时使用自来水作为润滑剂。若初次腐蚀过浅或再次抛光过重，导致原始奥氏体晶界显示不完全，则重复3)b和4)过程，直到原始奥氏体晶界清晰且完全显示为止。

本发明中，浸蚀液采用过饱和苦味酸溶液与洗发膏搅拌均匀，浸蚀液中洗发膏占4～5g/100ml。根据压力容器用钢热变形条件的不同，浸蚀液温度取70～80℃，初次腐蚀温度在3～5min内做选择。浸蚀后立即用水冲洗同时使用脱脂棉擦拭浸蚀表面，使黄褐色腐蚀产物脱落，之后用酒精冲洗并吹干。若初次腐蚀过深则采用轻抛方法去除腐蚀过重的表面；若初次腐蚀过浅则重复之前的浸蚀过程，直至能够清晰显示晶粒为止。

本发明中，采用由阴离子表面活性剂和天然表面活性剂组成的洗发膏作为润湿剂，当其加入饱和苦味酸水溶液后，在样品浸蚀过程中，润湿剂中的极性基被金属表面吸附，非极性基则形成定向排列，从而隔开样品与苦味酸，避免样品与苦味酸的直接接触，对基体浸蚀过程起到抑制作用。

本发明中，洗发膏使用市售产品——上海家化生产的海鸥洗发膏，其主要成分包括：水、月桂醇硫酸酯钠、硬脂酸、硼砂、氢氧化钾、多聚磷酸钠、甘油、氢氧化钠、羊毛脂、大麻仁果、纤维素胶、香精、乙醇、苯甲酸钠、羟苯乙酯、DMDM乙内酰脲、硫酸钠、氯化钠、cl42090。其中主要有效成分为：月桂醇硫酸酯钠和羊毛脂。

本发明的设计思想是：

上述浸蚀液成分之一苦味酸，又称2，4，6-三硝基苯酚，是一种有机酸。25℃苦味酸在水溶液中的解离常数PK_α为0.29，其中因硝基的氧化性不及硝酸等其它无机强酸，使用其腐蚀组织，可使室温腐蚀过程放慢，有利于对不同钢种腐蚀时间的选择性控制。然而苦味酸水溶液腐蚀时容易在样品表面产生一层钝膜(难溶的腐蚀产物)，影响样品的进一步腐蚀和金相观察。另外，在无其它添加时，饱和苦味酸溶液对钢来说仅仅是一种很好的通用型浸蚀剂(即可显示铁素体、珠光体及贝氏体等室温组织的浸蚀剂)，无法突出显示出原奥氏体晶界。海鸥洗发膏是由阴离子表面活性剂和天然表面活性剂组成的混合型表面活性剂，当其加入饱和苦味酸水溶液，在样品浸蚀过程中，其中的极性基被金属表面吸附，非极性基则形成定向排列，从而隔开了样品与苦味酸，避免了它们的直接接触，对基体浸蚀过程起到了抑制作用。因此，作为一种有效润湿剂和缓蚀剂，它的添加使得过饱和苦味酸溶液的表面张力降低，润湿性能/活性变好，这一方面可避免“钝膜”的产生，另一方面可避免样品室温组织的过度腐蚀而导致原奥氏体晶界不可清晰显现。一般来讲，若晶界上有磷存在，则含有润湿剂的饱和苦味酸水溶液在室温使用即可显示出原奥氏体晶粒，但对于磷及其它杂质元素含量极低的核电压力容器用钢，室温腐蚀时，原始奥氏体晶粒很难显现。本发明经多次实验，确定了适合核电压力容器用SA508-3钢的浸蚀温度和时间。

本发明的有益效果如下：

本发明针对目前低碳低合金钢原始奥氏体晶粒难以显示的问题，提供了一种可以清晰且完整显示核电压力容器用钢奥氏体晶粒的方法。

a、通过过饱和苦味酸与海鸥洗发膏的合理配比，以及多次实验摸索得到的最佳浸蚀温度(70～80℃)，可在很短的时间内(3～5min)使得原奥氏体晶粒清晰且完整的显现。

b、浸蚀液配制好并静置后取适量倒入小烧杯中实施浸蚀过程，一方面避免了未完全溶解而沉淀的过饱和苦味酸颗粒对样品的过度腐蚀着色，另一方面避免了腐蚀产物对浸蚀液的大范围污染，剩余的浸蚀液可仍保新鲜。

c、本发明所涉及的样品为在高温(800～1200℃)热变形后的淬火样品，可为研究核电压力容器用钢的再结晶规律及优化核电压力容器用钢的热变形工艺提供重要依据。

附图说明

图1(a)-(b)为本发明实施例1所得的核电压力容器用钢奥氏体晶粒尺寸大小与分布；图1(a)200倍；图1(b)500倍。

图2(a)-(b)为本发明实施2所得的核电压力容器用钢奥氏体晶粒尺寸大小与分布；图2(a)200倍；图2(b)500倍。

图3为本发明实施3所得的核电压力容器用钢奥氏体晶粒尺寸大小与分布(500倍)。

具体实施方式

实施例1：

1.热变形样品的制备

a)样品的机加工：将核电压力容器用钢机加工成直径8mm，高15mm的小圆柱，表面磨光，且表面光洁度在

以上。

b)热变形过程：在热模拟实验机上对圆柱样品进行热压缩变形，变形温度为900℃，应变速率为0.1/s，应变量为70％(对应的真应变为1.2)，变形结束后立即取出样品并淬入水中。

c)金相样品的切取和镶制：使用电火花线切割将热变形淬火后的饼状样品沿中心轴线方向一分为二，取热变形样品的中心纵截面为金相观察面进行镶制，为后续金相样品的制备做准备。

2.金相样品的磨制和抛光

a)样品的粗磨：切好并镶起的样品心部依次经过180#→320#→600#→1200#的氧化铝(或碳化硅)耐水砂纸研磨，研磨盘的转速设定为200～500rpm，每次换下一道次砂纸，需将样品沿磨制面旋转90度，以使得新一道次的磨痕垂直或近似垂直于上一道次的磨痕，研磨至新一道次的磨痕盖住上一道次的磨痕为止，磨制时使用自来水做润滑剂。

b)样品的精磨：将粗磨后的样品在2000#的碳化硅耐水砂纸上进行研磨，研磨盘的转速设定为200～300rpm，避免转速过高而产生较深磨痕。沿上一道次磨痕垂直的方向研磨至不可见上一道次磨痕为止。

c)样品的抛光：将经过2000#碳化硅耐水砂纸磨制后的试样置于毛料抛光布上抛光，使用2.5μ的金刚石抛光膏抛光，使用自来水作为润滑剂，转速为600～800rpm，获得光亮且没有麻点的抛光面，使用水和酒精依次冲洗并使用吹风机吹干。

3.样品的化学浸蚀

a)浸蚀液的配制：将4～5g苦味酸溶解至盛有100ml蒸馏水的烧杯中，制备过饱和苦味酸水溶液，其间一边加热一边搅拌均匀，保证当加热至70～80℃时仍有少量苦味酸未完全溶解，此时溶液透明呈暗黄色。之后称重4～5g海鸥牌洗发膏并放入配制好的过饱和苦味酸水溶液中，搅拌均匀，此时深黄色透明溶液变为浅黄非透明状。

b)化学浸蚀：用50ml的小烧杯取出20ml配制好的浸蚀液放入90℃的水浴中保持一段时间，恒温后浸蚀液温度约为75℃，之后将抛光后的样品放入浸蚀液中，磨光面朝上，腐蚀3min后取出，在自来水下冲洗腐蚀后的黄褐色产物并同时使用脱脂棉擦拭样品浸蚀面，之后用酒精冲洗并使用吹风机吹干。

4.机械抛光：在金相显微镜下初步观察可知，浸蚀后虽有部分室温组织同时被腐蚀出来，但腐蚀程度较轻，不影响奥氏体晶粒的观察，可略去机械抛光步骤。

图1为SA508-3钢在上述条件下热变形+磨抛+浸蚀后于金相显微镜下观察得到的200倍(a)和500倍(b)下的组织，原奥氏体晶界可以清晰且完整的显现。结果显示当变形温度为900℃，应变速率为0.1/s时，混晶现象严重，仅在变形奥氏体的晶界处发生了奥氏体的动态再结晶。

表1SA508-3钢ASME成分规范及实验用钢实际成分(wt％)

实施例2：

与实施例1不同之处在于：

1.热变形样品的制备

以上。

b)热变形过程：在热模拟实验机上对圆柱样品进行热压缩变形，变形温度为1000℃，应变速率为10/s，应变量为70％(对应的真应变为1.2)，变形结束后立即取出样品并淬入水中。

2.金相样品的磨制和抛光

b)样品的精磨：将粗磨后的样品在2000#的碳化硅耐水砂纸上进行研磨，研磨盘的转速设定为200～300rpm，避免转速过高而产生较深磨痕，沿上一道次磨痕垂直的方向研磨至不可见上一道次磨痕为止。

3.样品的化学浸蚀

a)浸蚀液的配制：将4～5g苦味酸溶解至盛有100ml蒸馏水的烧杯中，制备过饱和苦味酸水溶液，其间一边加热一边搅拌均匀，保证当加热至70～80℃时仍有少量苦味酸未完全溶解，此时溶液透明呈暗黄色。之后称重4～5g海鸥洗发膏并放入配制好的过饱和苦味酸水溶液中，搅拌均匀，此时深黄色透明溶液变为浅黄非透明状。

图2为SA508-3钢在上述条件下热变形+磨抛+浸蚀后于金相显微镜下观察得到的200倍(a)和500倍(b)下的组织，原奥氏体晶界可以清晰且完整的显现，基本不可见变形的奥氏体。结果表明，当变形温度为1000℃，应变速率为10/s时的淬火组织中，奥氏体在变形期间发生了奥氏体基本完全的动态再结晶。

实施例3：

与实施例1不同之处在于：

1.热变形样品的制备

a)样品的机加工：将核电压力容器用钢机加工成直径8mm，高15mm的小圆柱，表面磨光，且表面光洁度在以上。

b)热变形过程：在热模拟实验机上对圆柱样品进行热压缩变形，变形温度为1100℃，应变速率为10/s，应变量为70％(对应的真应变为1.2)，变形结束后立即取出样品并淬入水中。

2.金相样品的磨制和抛光

3.样品的化学浸蚀

b)化学浸蚀：用50ml的小烧杯取出20ml配制好的浸蚀液放入90℃的水浴中保持一段时间，恒温后浸蚀液温度约为75℃，之后将抛光后的样品放入浸蚀液中，磨光面朝上，腐蚀5min后取出，在自来水下冲洗腐蚀后的黄褐色产物并同时使用脱脂棉擦拭样品浸蚀面。之后用酒精冲洗并使用吹风机吹干。

4.机械抛光：在金相显微镜下初步观察可知，样品腐蚀过深，故将其重新置于毛料抛光布上轻轻抛光，不使用抛光膏，使用自来水作为润滑剂。

图3为SA508-3钢在上述条件下热变形+磨抛+浸蚀+机抛后于金相显微镜下观察得到的500倍下的组织，原奥氏体晶界可以清晰且完整的显现，奥氏体晶粒基本为等轴状。结果表明，当变形温度为1100℃，应变速率为10/s时的淬火组织中，奥氏体在变形期间发生了奥氏体基本完全的动态再结晶。

结果表明，本发明通过过饱和苦味酸溶液和洗发膏的合理配比(苦味酸与洗发膏的重量比为1∶1)，以及水浴温度(80～90℃)与腐蚀时间(3～5min)的选择，可清晰地显示出SA508-3钢于800～1200℃热变形后淬火组织的原始奥氏体晶粒。

Claims

1.一种核电压力容器用钢热变形组织的显示方法，其特征在于，包括热变形样品的制备，金相样品的磨制和抛光，样品的化学浸蚀，以及选择性的机械抛光，具体步骤如下：

1)热变形样品的制备：

a、样品的机加工：将核电压力容器用钢机加工成直径6～8mm，高10～15mm的小圆柱，表面磨光，且表面光洁度在

以上；

b、热变形过程：在热模拟实验机上对圆柱样品进行热压缩变形，变形温度为800～1200℃，应变速率为0.001～10/s，应变量为20～80％，变形结束后立即取出样品并淬入水中；

c、金相样品的切取和镶制：将热变形淬火后的饼状样品沿中心轴线方向一分为二，取热变形样品的中心纵截面为金相观察面进行镶制，为后续金相样品的制备做准备；

2)金相样品的磨制和抛光：

a、样品的粗磨：切好并镶起的样品心部依次经过180#→320#→600#→1200#的氧化铝或碳化硅耐水砂纸研磨，研磨盘的转速设定为200～500rpm，每次换下一道次砂纸，需将样品沿磨制面旋转90度，以使得新一道次的磨痕垂直或近似垂直于上一道次的磨痕，研磨至新一道次的磨痕盖住上一道次的磨痕为止，磨制时使用自来水做润滑剂；

b、样品的精磨：将粗磨后的样品在2000#的碳化硅耐水砂纸上进行研磨，研磨盘的转速设定为200～300rpm，避免转速过高而产生较深磨痕；沿上一道次磨痕垂直的方向研磨至不可见上一道次磨痕为止；

c、样品的抛光：将经过2000#碳化硅耐水砂纸磨光后的试样置于毛料抛光布上抛光，使用2.5μ的金刚石抛光膏抛光，使用自来水作为润滑剂，转速为600～800rpm，获得光亮且没有麻点的抛光面，使用水和酒精依次冲洗并使用吹风机吹干；

3)样品的化学浸蚀：

a、浸蚀液的配制：将4～5g苦味酸溶解至盛有100ml蒸馏水的烧杯中，在对其加热的过程中搅拌均匀，制备过饱和苦味酸水溶液；之后称重4～5g洗发膏并放入配制好的过饱和苦味酸水溶液中，搅拌均匀；

b、化学浸蚀：用50ml的小烧杯取出适量配制好的浸蚀液放入80～90℃的水浴中，保证能完全浸没放入的样品，保持至恒温，使浸蚀液温度为70～80℃，之后将抛光后的样品放入浸蚀液中，磨光面朝上，初次腐蚀3～5min后取出，在自来水下冲洗腐蚀后的黄褐色产物，并同时使用脱脂棉擦拭样品表面；之后，用酒精冲洗并使用吹风机吹干；

4)机械抛光：在金相显微镜下初步观察，取腐蚀过深的样品置于毛料抛光布上轻轻抛光，不使用抛光膏，轻抛时使用自来水作为润滑剂；若初次腐蚀过浅或再次抛光过重导致原始奥氏体晶界显示不完全，则重复3)b和4)过程，直到原始奥氏体晶界清晰且完全显示为止。

2.按照权利要求1所述的核电压力容器用钢热变形组织的显示方法，其特征在于：采用由阴离子表面活性剂和天然表面活性剂组成的洗发膏作为润湿剂，当其加入饱和苦味酸水溶液后，在样品浸蚀过程中，润湿剂中的极性基被金属表面吸附，非极性基则形成定向排列，从而隔开样品与苦味酸，避免样品与苦味酸的直接接触，对基体浸蚀过程起到抑制作用。

3.按照权利要求1所述的核电压力容器用钢热变形组织的显示方法，其特征在于：浸蚀液采用过饱和苦味酸溶液与洗发膏搅拌均匀，浸蚀液中洗发膏含量为4～5g/100ml。

4.按照权利要求1所述的核电压力容器用钢热变形组织的显示方法，其特征在于：浸蚀液的配制时，苦味酸溶解至蒸馏水中，其间一边加热一边搅拌均匀，保证当加热至70～80℃时仍有少量苦味酸未完全溶解，加热后的溶液呈透明暗黄色；当加入洗发膏后溶液变为浅黄非透明状。