核电具有清洁、持续供电能力强、受地理位置限制相对较少等优点，是未来能源发展的重要方向。三代压水堆核电站核岛主设备(如反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器等)是关键设备，需要在高温、高压及辐照条件下长期运行，设计寿期内要求其内壁的腐蚀速率低于10mg/(cm2·month)。核岛主设备的封头、筒体和接管等部件采用SA508.Gr3低合金钢大型锻件，为了提高抗腐蚀能力，内壁堆焊超低碳不锈钢。带极埋弧堆焊由于具有熔敷速度快、生产效率高、成形美观、尺寸稳定、无弧光辐射等优点，在进行不锈钢耐蚀层大面积堆焊时，国内外大量采用了带极埋弧堆焊技术。堆焊前，通常对母材锻件进行无损检测，往往会发现存在少量直径在50~200μm的夹杂物，以及一定数量的细小弥散夹杂物。锻件母材验收时，这些夹杂物归类为母材的微小冶金缺欠，原材料供应商及设计方通常认为这些微小冶金缺欠不会影响锻件的整体性能。在锻件内壁不锈钢堆焊过程中，在焊接热循环作用下会产生焊接应力，关于在焊接应力作用下这些微小冶金缺陷是否会作为裂纹源，甚至扩展为裂纹方面的研究较少。因此，对大型SA508.Gr3低合金钢锻件夹杂物断裂行为进行分析，研究锻件母材中不同长度和形状的夹杂物在应力作用下的断裂行为，对于减少和防止由锻件微小缺欠引起的质量问题，具有重要的工程意义。

1.试验方法

某反应堆压力容器接管母材为SA508.Gr3低合金钢锻件，接管内壁堆焊采用带极埋弧堆焊工艺，焊材规格为60mm×0.5mm的不锈钢焊带EQ309L/EQ308L，堆焊工艺如表1所示。

堆焊完成后进行后热处理，即工件被加热到250~293℃，保温4h。之后进行无损检测，再执行焊后消应力热处理，焊后热处理工艺参数如表2所示。

接管内壁不锈钢堆焊完成后，超声波检测时共发现40处堆焊层下缺陷显示，缺陷信号幅度相对较大，缺陷长度方向为接管轴向，最长缺陷显示长度约为105mm，缺陷显示呈线性，深度约8~15mm(堆焊层厚度约7.5mm)，缺陷宏观形貌如图1所示。

初步分析冷裂纹和再热裂纹可能性比较小，从缺陷的分布方向分析，接管内壁的堆焊方向为周向，一般焊接冷裂纹沿周向分布的可能性较大，与产品上发现的缺陷的轴向分布特征不一致。

为了分析锻件母材裂纹类缺陷的形成机理，选用SA508.Gr3低合金钢小锻件作为试验材料，预制的缺口与观察到的最大夹杂物尺寸相当，夹杂1呈月牙形，长度约200μm，夹杂2呈圆形，直径约50μm。测试温度为650℃，试验设备为Zwick高温拉伸机.首先测试材料在650℃的拉伸性能，获得该温度下屈服强度和断后伸长率。对表面可以观察到夹杂的试样，在夹杂位置附近开缺口，拉伸试样及缺口示意图如图2a和图2b所示，带缺口拉伸试样如图2c所示。对试样表面进行精磨和抛光，拉伸逐步加载，记录夹杂物和基体界面的变化情况。

采用光学显微镜观察夹杂物的变化过程，用电子背散射(EBSD)分析，对试样表面进行衍射花样采集，统计试样的初始晶粒尺寸、微观组织，以及初始变形分布，用共聚焦显微镜观察变形后试样表面的三维形貌，测量孔洞深度、裂纹深度以及塑性区形貌。

2.试验结果与分析

2.1夹杂物形状及试样初始状态分析

试样上的夹杂形貌和缺口位置如图3所示，夹杂呈月牙形状，长度约200μm。

对母材锻件夹杂通过EBSD进行分析，如图4所示。对夹杂进行能谱仪(EDS)成分分析，如图4a所示，发现基本为Mn，Si，Fe的氧化物。

为了获取材料原始状态晶粒尺度的统计，对试样进行了EBSD分析。该类分析是在扫描电子显微镜中，将电子束以70°入射到试样表面，在晶体或晶粒内规则排列的晶格面上产生衍射。通过所有原子面上产生的衍射组成“衍射花样”，可以得出晶体结构，晶格常数以及晶粒内的晶格和试样坐标系的角度关系。对衍射花样分析可以得到材料的组成相、晶粒形貌以及多晶之间的应变分布情况。

采集点阵步长设定为1μm。结果表明，母材主要为贝氏体组织(体心立方，body-centeredcubic，BCC)，没有残余奥氏体组织(面心立方，facecenteredcubic，FCC)，在贝氏体中存在少量Fe3C相。如图4b所示为夹杂物附近晶粒内晶格的晶轴在样品坐标系下的欧拉角度分布。通常晶粒内部拥有相同或相近的晶格取向，而不同晶粒之间取向差通常超过10°，属于大角度晶界，图像处理中通常识别相邻两个点阵取向差大于10°为晶界，则可以勾画晶界形貌。图4c和图4f所示为缺口和夹杂附近的晶界形貌。母材SA508.Gr3的晶粒度较小，对材料表面的晶粒度进行统计发现，晶粒直径大小主要集中在5~15μm之间，峰值出现在6~8μm附近。

对同一晶粒内的晶格取向差进行统计，比较每个点阵位置的欧拉角(反映晶粒取向)和该晶粒参考取向的差值(据研究晶粒内平均取向近似于无应变的原始取向)，通过图像法做出晶粒内的取向差云图分布，该图可以反映出多晶变形时的应变集中程度，如图5所示。对缺口边缘和母材做应变统计，发现两者变形程度相当，电火花加工没有引入新的机械应变。母材上晶粒由变形晶粒和再结晶晶粒组成(再结晶晶粒细小，且应变小，呈蓝色的取向差分布)，变形晶粒中有明显的应变残留(晶粒较大，有绿色至红色的取向差分布)，属于母材之前的锻造轧制等热加工的应变积累。

2.2加载过程夹杂的形貌变化

取样时发现该夹杂头部存在一个直径超过50μm的孔洞。在另一块试样上出现的疑似夹杂物也观察确认为孔洞，孔洞边缘残留不规则夹杂。经观察及分析，夹杂物和基体的结合强度较低，并且本身比较脆，在加载时会出现脆裂并和基体分离的趋势。对带月牙形夹杂试样首先进行高温拉伸，确定屈服强度约180MPa。然后对有夹杂的试样进行加载观察形貌变化。在屈服强度以下，夹杂和基体结合良好，形貌基本没有变化，当加载到屈服极限后夹杂上的裂痕明显变深，在达到0.2%塑性应变后，月牙状夹杂尾部出现裂纹开裂，如图6所示。

带圆形夹杂试样(圆形夹杂的直径大约为50μm)，该材料的屈服强度约200MPa。在屈服强度以下加载，夹杂形貌没有变化。当加载到0.2%塑性应变时，夹杂物裂成两半，随后加载到0.3%应变时，两片夹杂之间的位移增加，形成明显的孔洞，但是没有裂纹在夹杂和基体的界面产生，如图7所示。另外对没有夹杂的材料所制备的试样加工圆形缺口，在650℃下和950℃下拉伸，发现在该温度区间，母材SA508.Gr3具有较好的塑性变形能力，即使预制了圆形缺口，断后伸长率仍达到20%~30%。

2.3变形后的缺陷形貌

对带月牙形夹杂拉伸变形后出现裂纹的试样，采用共聚焦显微镜观察变形后试样表面的形貌，如图8所示。夹杂尾部的裂纹深度约30μm。由于夹杂和基体的结合强度较低，在变形中不能传递应变，所以如图9所示，在夹杂的两侧，变形程度不一致，夹杂内侧试样高度高于外侧(起伏是由于变形区减薄造成)。夹杂内侧的区域在拉伸后，厚度几乎没有减薄，和夹杂外侧相比只发生了较小的变形量。

图10中所示的缺口附近的试样厚度减薄(100X下观察)，反映了拉伸后的塑性变形区，图中云图的绿色区域表明该区域材料在拉伸变形下出现了减薄。

对夹杂头部的孔洞进行测量，其深度约为40~50μm，最深处约为60μm，如图9所示。考察的月牙形状夹杂物成份主要是Mn，S，Fe的氧化物，属于氧化物类夹杂。母材锻件为贝氏体组织，晶粒度约5~15μm，由再结晶晶粒和变形晶粒组成，变形晶粒上有一定的应变积累。当夹杂物存在尖锐角度时(如月牙形的夹杂)，在锐角处容易诱发裂纹，长度约200μm。夹杂物锐角处在650℃施加0.2%塑性变形时出现裂纹。实际堆焊层下母材在热循环下会产生0.2%以上的应变损失。当存在尖锐角度的夹杂时，存在引起裂纹的可能。当夹杂物为近似圆形时，高温拉伸中不易产生裂纹。直径约50μm的近似圆形夹杂650℃拉伸时虽然夹杂破裂，但在施加0.3%塑性变形时仍未出现裂纹。孔洞和圆形夹杂物类似，在高温拉伸时，不易诱发裂纹。试样上的孔洞在变形时，都没有引起裂纹锻件母材在存在有圆形缺口的条件下，仍有较好的塑性变形能力，断后伸长率可以达到20%以上。

3.结论

(1)夹杂物成份主要是Mn，Si，Fe的氧化物夹杂.锻件母材为贝氏体组织，晶粒尺寸约5~15μm，由再结晶晶粒和变形晶粒组成。

(2)长度约200μm夹杂物锐角处在650℃施加0.2%塑性变形(约200MPa)时出现裂纹。当夹杂存在尖锐角度时，在锐角处容易诱发裂纹。

(3)直径约50μm的近似圆形夹杂650℃拉伸时虽然夹杂破裂，但在施加0.3%塑性变形(约220MPa)时仍未出现裂纹，当夹杂物为近似圆形时，高温拉伸中不易产生裂纹。

(4)孔洞和圆形夹杂物类似，在高温拉伸时，不易诱发裂纹.母材在存在有圆形缺口的条件下，仍有较好的塑性变形能力，断后伸长率达到20%以上。