至德钢业2520不锈钢常规力学性能结果及分析报告

  浙江至德钢业有限公司2520不锈钢在4种温度条件下的拉伸结果见表，由结果可知，即使在650℃条件下，2520不锈钢的抗拉强度仍高于标准要求；试验温度范围内的屈服强度均超过ASME对许用应力（90%屈服强度）的要求。因此，2520不锈钢材料具有较好的拉伸性能。温度升高时，材料强度会降低，延伸率会增加。2520不锈钢在4种温度条件下的屈服强度与抗拉强度的比值，结果表明，室温条件下，2520不锈钢的比值与低合金的相当，比较适中，材料具有较好的利用率和安全性；随温度升高，比值会降低，一旦工作应力超过屈服强度，塑性变形产生的加工硬化可增加材料的抗断能力，能减少失效后的突然破坏。

  浙江至德钢业有限公司比较了2520不锈钢与几种核电常用结构材料的拉伸性能，可为SCWR的材料选型提供参考。分析了2520不锈钢拉伸性能与温度的依赖关系，并与几种核电常用结构材料进行了对比，可为SCWR的力学和温度设计提供依据。分析表明：

（1）所有材料的抗拉强度和屈服强度都在温度升高时，表现为降低，但降低的速率有所不同；

（2）大多数材料的延伸率都在温度升高时，表现为降低，尤其是650℃条件下。只有2520不锈钢的延伸率随温度的升高而升高；

（3）沉淀硬化强化的718镍基合金，在几种材料中，具有最高的强度，最低的塑性，强塑性匹配不佳；

（4）总体而言，2520不锈钢与其它几种合金相比，具有较适中的拉伸性能，比较好的强塑性匹配，从力学角度看，适宜用作SCWR燃料包壳材料。

   由于Fe-Cr-Ni体系的材料作为燃料包壳时比锆合金的中子经济性差，锆的热中子吸收截面约为0.2b；而Fe、Cr、Ni的分别为2.6b、3.1b、4.5b，其中，镍含量对中子经济性的影响最明显，因此将候选材料2520不锈钢的力学性能分析和评价尽量结合与镍含量的关系进行，可具有较好的工程经济性。图为拉伸性能与镍含量的相关性分析图。分析表明：镍含量在10%~40%时，材料的强度变化不明显，只有少量波动，310S的Ni含量属于该范围。镍含量很高时（超过40%）材料的强度明显升高，如718合金。图为延伸率与镍含量的分析。镍含量在10%~40%时，材料的高温延伸率变化不明显，但室温延伸率波动较大。采用扫描电镜（SEM）观察了拉伸后的断口形貌，其拉伸断口呈现比较明显的韧窝特征，韧窝较深，有些大韧窝中还有小韧窝，材料具有较好的韧性。观察到了分布在断口上的细小第二相。

  2520不锈钢的室温冲击韧性结果，并与其它几种核电常用堆内结构材料进行了比较。结果表明，2520不锈钢的3件平行试样在试验后均未完全断裂，如图所示，呈现较高的冲击韧性，具有应用于SCWR燃料包壳的可行性。图为冲击功与镍含量的分析图。分析表明，冲击韧性与镍含量的关系不是单调增减的关系，镍含量过多和镍含量过少时材料的冲击韧性都较差，而镍含量在10%~40%时有较好的冲击韧性，2520不锈钢即属此范围。冲击功随镍含量变化的波动曲线与室温延伸率随镍含量变化的波动曲线形状很吻合，变化趋势很一致，说明冲击功、延伸率这两项塑韧性指标有很强的对应关系。

 此外，研究了550℃×2000h时效对2520不锈钢的冲击性能的影响，并与其它几种材料进行了对比结果表明：

（1）32520不锈钢在热时效后的冲击韧性有小幅降低，试样在冲击后发生了断裂，冲击韧性低于加Mo的Ni含量稍高一些的另一种高级奥氏体不锈钢6XN，但具有应用于SCWR堆内薄壁部件的潜质；

（2）大多数试样在550℃长期时效后，其室温冲击韧性均有所下降，这种变化是由于奥氏体相(γ)是过饱和固溶体，在受热条件下，将会发生扩散控制的脱溶沉淀，即碳化铬在此温度范围内沉淀在晶界所致；

（3）热时效后，韧性降低最明显的为316Ti不锈钢，降低约38%；

（4）718合金热时效前后的冲击韧性均最低，与其最高的拉伸强度对应；（5）347的冲击韧性则在时效后略有升高，显现与其他6种材料不一样的变化趋势。

  2520不锈钢在热时效后冲击韧性变化不太大，暗示了550℃条件下2000h的热老化（时效）未使310S产生明显的组织变化。采用扫描电镜（SEM）分析了冲击断口，可知，比拉伸断口的明显韧窝特征相比，其典型断口的韧窝特征不明显，更多的表现为平面撕裂态，因其承受载荷的方向不同。高温时效后，断口特征呈现了一定的解理脆性。经金相检查，时效后2520不锈钢的第二相细小弥散，暂未观察到第二相更多的析出、长大，或第二相明显的数量变化或尺寸变化。其显微组织在短试验周期内具有较好的稳定性，尤其优于冲击韧性变化较大的材料，例如316不锈钢，可为SCWR中的中长期服役提供性能保障，满足国际上对SCWR选材关注点中的―尺寸及微观结构的稳定性。