（贵州航天新力铸锻有限责任公司 贵州省遵义市 563003）
摘要：采用化学成分分析、扫描电镜断口观察和金相显微组织分析的手段，对发生失效的核电设备用马氏体沉淀硬化不锈钢SA-564M Type630棒材失效原因进行分析。结果表明，晶粒粗大、组织不均匀以及较多的高温δ铁素体引起材料脆性断裂失效。
关键词：核电设备；马氏体沉淀硬化不锈钢；脆性断裂；高温δ铁素体
SA-564M Type630是ASME标准中一种在Cr17型不锈钢基础上，通过加入Cu、Nb等合金元素进行强化的沉淀硬化马氏体不锈钢，等同于国内材料牌号05Cr17Ni4Cu4Nb。SA-564M Type630不锈钢主要通过固溶后马氏体相变和595~650℃温度范围内时效时析出沉淀硬化相ε-Cu（富铜相）、NbC、M23C6等碳化物进行强化，钢中较高的Ni含量可以扩大奥氏体相区、生成和稳定奥氏体，保证材料良好的塑性并提高韧性。由于该钢具有高强度、高韧性、高耐氧化性和高耐腐蚀性等综合性能，被广泛应用于制造核电设备中350℃以下高温环境、高载荷、抗冲击的紧固件、阀杆等零部件。
本文通过材料化学成分、宏观断口形貌、微观金相组织方面的检测观察，分析公司一批紧固件用棒材在固溶时效热处理后机械力学性能失效的原因。
1 试验
机械力学性能失效棒材所用材料为马氏体沉淀硬化不锈钢SA-564M Type630，制造加工过程为：钢锭下料→锻造成型→预备处理→粗加工→固溶时效→检测性能。粗加工的棒材固溶+时效热处理后，在标准要求位置取室温拉伸试样和夏比V型缺口冲击(AKV)试样，检测材料机械力学性能。室温拉伸和冲击试验结果如表1所示，冲击功数值较低不满足指标要求，屈服和抗拉强度合格但屈强比较大，即材料在屈服后很快断裂。
表1 SA-564M Type630棒材机械性能信息
本文采用直读光谱仪检测材料化学成分；使用扫描电子显微镜观察拉伸和冲击试验断口宏观形貌；使用光学金相显微镜观察材料显微组织形貌和晶粒大小。
2结果和分析
2.1化学成分
试验用棒材化学成分如表2所示，分析结果表明其符合ASME标准中SA-564M Type630材料对各元素含量的要求。
2.2断口形貌观察
表2棒材的化学成分
图1 断口宏观形貌
将拉伸和冲击试样断口切下并用酒精清洗，通过扫描电子显微镜观察表面宏观形貌，分别如图1(a)和图1(b)所示。从图1(a)中可以较为清楚看到纤维区、放射区和剪切唇三个区域，即韧性断裂断口特征三要素，但中心纤维区较为平整，纤维特征不明显，放射区放射线较为细小，表明材料在屈服后的塑性变形量较小，存在一定脆性断裂现象。图1(b)为室温AKV冲击试验断口宏观形貌，图中断口形貌较为平整光滑，除剪切唇外，裂纹源、纤维区和放射区均不明显，区别于韧性断裂的纤维状而呈明显结晶状，属于典型穿晶解理型脆性断裂。
2.3显微组织和晶粒
为更清楚直接的观察显微组织，在失效断裂的拉伸试样上取样制成金相试样，腐蚀过后使用光学显微镜观察其显微组织，如图2所示。从图2(a)中可以明显看到呈细长带状分布的高温δ铁素体，并且组织较为混乱不均匀；图2(b)放大观察后发现，基体上弥散分布着时效热处理后产生的细小析出相，晶粒较为粗大且不均匀，较多的高温δ铁素体穿晶或沿晶分布。材料基体上弥散分布的颗粒状沉淀硬化相ε-Cu和碳化物，可在拉伸试验中阻碍位错开动和移动，进而起到增加强度的效果，故拉伸试验中屈服和抗拉强度较高并合格；同时粗大的晶粒和不均匀的组织以及大量的脆性高温δ铁素体增加了材料冲击敏感性，导致棒材冲击韧性差。
图2固溶时效后材料显微组织
(a)100×；(b)500×
3结论
该批次核电设备用马氏体沉淀硬化不锈钢SA-564M Type630棒材固溶时效热处理后，出现晶粒粗大、组织不均匀现象，且存在大量脆性高温δ铁素体相，这是导致材料冲击试验失效的主要原因。
作者简介
张帅（1989-11），男，汉族，籍贯：山西省运城市，当前职务：工艺师，当前职称：助理工程师，学历：硕士研究生，研究方向：金属材料。
论文作者:张帅,李继园,王翔宇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/13
标签：断口论文; 形貌论文; 材料论文; 晶粒论文; 脆性论文; 金相论文; 组织论文; 《电力设备》2018年第17期论文;