● 摘要
核反应堆的核心部件核压力容器要在高温、高压、流体冲刷和腐蚀以及反应堆堆芯极强的中子辐照等恶劣条件下运行，因而会严重影响核压力容器钢的力学性能和断裂性能，从而构成灾难发生的潜在安全问题。目前国内外广泛使用的核压力容器钢SA508 Gr.3的强度、低温韧性、辐照脆化抗力及断裂韧性尚存在不足。当前，已有研究者开发出新型核压力容器钢SA508 Gr.4N，并初步研究了其强度、冲击韧性及断裂韧性。然而欲将其应用于核工程领域，需要对其力学性能及断裂行为进行深入而系统地研究。 本文对新型核压力容器钢SA508 Gr.4N及当前广泛使用的SA508 Gr.3钢的显微组织、力学性能进了综合研究分析，并采用实验和有限元(FEM)计算相结合的方法分别研究了交货态的SA508 Gr.4N和SA508 Gr.3钢的临界解理断裂应力，并进一步分析了显微组织对SA508核压力容器钢临界解理断裂应力的影响。 研究结果表明：SA508 Gr.4N钢的显微组织主要为回火马氏体，在其晶界和晶内有大量较细小均匀的富Cr的M7C3和M23C6型析出相。而SA508 Gr.3的显微组织主要为回火贝氏体，其板条边界分布着较粗大的M3C型碳化物，板条内分布着较细小的M2C型碳化物。定量分析结果表明，SA508 Gr.4N钢相对于SA508 Gr.3钢具有更加细小的晶粒尺寸及更加细小均匀的第二相碳化物颗粒。 局部解理断裂应力σF可用来作为联系SA508核压力容器钢微观组织与宏观解理断裂韧性的断裂准则参数，并作为工程中评估SA508核压力容器钢缺口韧性及断裂韧性的指标。FEM分析结果表明，SA508 Gr.4N钢的局部解理断裂应力σF值明显高于SA508 Gr.3钢，这是由于SA508 Gr.4N钢的晶粒尺寸更加细小，且碳化物颗粒更加细小均匀。综合拉伸实验、夏比冲击实验、四点弯加载实验及FEM分析结果，SA508 Gr.4N钢相对于SA508 Gr.3钢具有更高的强度、更优异的冲击韧性、缺口韧性及解理断裂抗力，因此，新一代核反应堆压力容器钢SA508 Gr.4N可作为SA508 Gr.3钢的潜在替代者，并将应用于核工程领域。