310S不銹鋼管材料基本性能測(cè)試與分析

  310S不銹鋼管為退火態(tài)的管材，310S試驗(yàn)材料化學(xué)成分見表，滿足ASME SA240，ASME CodeCase2115-1的GB5310-2009要求，硫含量很低，碳含量為0.07%，添加了氮和鈮（加0.2%~0.6%鈮的目的是穩(wěn)定材料中的碳），因此，該310S材料也可稱為HR3C。表為幾種核電常用堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分，這幾種材料也曾作為SCWR候選材料被研究過，包括18-8型不銹鋼316Ti（低碳）、347，高級(jí)奧氏體不銹鋼6XN，鐵鎳基合金800、825，鎳基合金718。由表可知，310S不銹鋼管化學(xué)成分中，鉻、鎳鈍化元素的含量均高于普通18-8型不銹鋼管的，鎳含量低于鐵鎳基合金的。鋼中碳元素以及鉻、鎳元素的含量與配比，很大程度上決定了不銹鋼的性能。依次分析三元素在310S不銹鋼管的添加情況和影響，最后分析其他重要合金元素的影響，可了解310S不銹鋼材料的預(yù)期性能。

   首先，是碳元素的影響。310S不銹鋼管中的碳含量為0.07%，屬于低碳含量范圍，當(dāng)材料成分中碳含量小于0.08%時(shí)，中國(guó)牌號(hào)前加0，即0Cr25Ni20。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，熔煉越困難，價(jià)格也越高。碳含量低，不銹鋼的耐蝕性變好。碳是擴(kuò)大奧氏體相的元素，碳以間隙的方式固溶在奧氏體的面心立方晶格中，對(duì)奧氏體起到固溶強(qiáng)化的作用，能提高310S不銹鋼管的強(qiáng)度。室溫時(shí)，碳在面心立方晶格中的溶解度超過此值（0.03%），會(huì)以過飽和的形式析出，所以低碳不銹鋼（C≤0.08%）一般都具有晶間腐蝕的可能性。由于碳容易與鉻結(jié)合，形成各種碳化物，例如，高鉻含量的Cr23C6，當(dāng)它在晶界形成時(shí)，碳將與17倍于碳量的鉻結(jié)合，晶界附近的鉻含量降低，電位降低，在腐蝕過程中易成為陽極區(qū)發(fā)生溶解。晶內(nèi)仍保持了大陰極狀態(tài)，晶界和晶內(nèi)的電位差，可使材料引起晶間腐蝕。因此，為了防止晶間腐蝕，一種方法是降低碳含量，使碳完全固溶在奧氏體中，碳不會(huì)過飽和析出形成Cr23C6，晶間腐蝕傾向??；一種方法是加穩(wěn)定化元素如鈦和鈮等，并配合穩(wěn)定化處理工藝，本文中的310S不銹鋼管添加的是穩(wěn)定化元素鈮。

   其次，是鉻元素的影響。鉻加入到鐵中形成固溶體時(shí)，會(huì)顯著提高鐵固溶體的電極電位，根據(jù)n/8定律，當(dāng)鋼中含12.5%以上的鉻量時(shí)，固溶體電位發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)突躍升高，耐蝕性能也因而得到一個(gè)突躍提高，使材料具有―不銹性。當(dāng)鉻含量超過18%時(shí)，會(huì)促進(jìn)鐵素體的形成，并且，鉻含量增加會(huì)促使硬脆相-σ相的產(chǎn)生。在對(duì)材料耐蝕性的貢獻(xiàn)中，鎳也有助于鈍化，本研究材料中鉻、鎳含量的總和為（17~23）%+（24~26）%=（41~49）%，達(dá)到了n=3，并接近n=4，在保持單相組織的情況下，獲得了很好的耐蝕性。

 最后，是鎳元素的影響。鎳是不銹鋼中三個(gè)重要元素之一，除提高耐蝕性外，還是γ穩(wěn)定劑元素，是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進(jìn)奧氏體相形成的主要元素。還能有效地降低Ms點(diǎn)，使奧氏體保持到低溫-50℃以下。而且，隨著鎳含量增高，奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力值和時(shí)間越大，即對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感。有研究指出：抗應(yīng)力腐蝕的大小順序?yàn)?10（20%Ni）不銹鋼＞316（12%Ni）不銹鋼＞304（8%-10%Ni）不銹鋼。當(dāng)鎳含量高于32%，例如鎳基合金，其應(yīng)力腐蝕敏感性很小。但在受到輻照時(shí)，鎳會(huì)產(chǎn)生脆問題，而且制造中采用的電解鎳含有難以分離的鈷雜質(zhì)，鈷在輻照后會(huì)生成強(qiáng)γ輻照產(chǎn)物。所以，采用鎳含量相對(duì)較低的不銹鋼材料有利于降低腐蝕產(chǎn)物輻照以后對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的放射性污染。

 此外，310S不銹鋼管中添加的重要合金元素是鈮。鈮能與碳形成碳化物NbC，當(dāng)鈮、碳含量之比為8:1，可避免310S不銹鋼的晶界上形成Cr23C6（Cr、C含量之比為17：1），避免貧鉻區(qū)的產(chǎn)生。NbC的形成，可提高310S不銹鋼抵抗晶間腐蝕的性能。并且，鈮通過沉淀強(qiáng)化，形成合金碳化物和金屬間化合物，與母相保持共格和半共格關(guān)系，能提高材料熱強(qiáng)性，所以會(huì)提高不銹鋼的蠕變強(qiáng)度。鈮的加入量一般為碳含量的10倍左右，如C=0.07%，則Nb=0.7%，不宜過高，因?yàn)殁壥菙U(kuò)大α相（鐵素體相）元素，會(huì)降低310S不銹鋼基體組織的穩(wěn)定性。且鈮的加入會(huì)降低焊縫的韌性，引起焊接熱裂紋。本研究中的鈮、碳含量（0.4%、0.07%）之比不足8:1。氮同碳一樣，置換固溶在面心立方晶格四面體間隙中，從而提高不銹鋼的強(qiáng)度，而且，氮和碳相互促進(jìn)在奧氏體中的溶解度，氮會(huì)提高材料強(qiáng)度，且不降低材料的耐腐蝕能力。碳+氮控制在一定范圍內(nèi)（例如，普通18-8型奧氏體不銹鋼一般控制在0.12%以內(nèi)），以使材料獲得比較綜合的性能。但碳、氮同鎳一樣，是輻照有害元素，應(yīng)限制加入太多。其他的雜質(zhì)元素，例如磷、硫等要盡量控制，越低越好。綜上分析，310S不銹鋼管具有較佳的成分匹配，預(yù)期在超臨界水冷堆中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。