核电大型锻件热处理工艺集成计算初探

顾剑锋

上海交通大学材料科学与工程学院，材料改性与数值模拟研究所

摘要

随着第三代核电站的设计寿命和安全要求的提高，压力容器锻件呈现出大型化、一体化的趋势。SA508 Gr.3钢广泛应用于制造核电压力容器类大型锻件，包括核反应堆压力容器、稳压器以及蒸汽发生器。在服役过程中，高温、高压的工作环境以及承受中子辐照等因素将逐步恶化力学性能，尤其是冲击韧性，所以要求这类大型锻件具有较高的初始性能，对核电站的安全运行起到至关重要的作用。

本文聚焦于核电压力容器大型锻件热处理工艺过程温度-相变-应力/应变多场耦合数学建模和数值模拟技术的研发，目的是实现最终性能场的预测，并在工程实际上获得应用。具体包括以下内容。

研究大型锻件材料过冷奥氏体分解为不同产物（铁素体，珠光体，贝氏体和马氏体）的相变动力学规律，建立了不同类型相变的动力学模型，发展了冷却过程中不同组织相变量的算法。该模型与算法可极大提高大型锻件热处理过程相变量的计算机模拟精度，具有以下特点：（1）能够精确计算高温转变中铁素体与珠光体的相变量，弥补以往模型无法分离铁素体与珠光体相变量的不足；（2）能够准确反映大型锻件材料贝氏体转变不完全的特性；（3）引入奥氏体化条件对马氏体相变的影响，修正了马氏体相变动力学。

在完善原有大型锻件热处理工艺过程中温度、相变、应力复杂相互作用的定量数值模型基础上，开发国内首个具有自主知识产权的热处理数值模拟软件—浦泰热处理CAE（Thermal Prophet），实现过程中各类场量的准确模拟，进而预测过程中温度场、应力场（包括最终残余应力、变形等）、微观组织场（包括最终获得组织分布）、力学性能等，实现大型锻件温度-组织-应力/应变-性能的时间与空间变化的预测，从而为合理制定大型锻件热处理工艺和开发热处理新技术提供工具。

DOI：10.12110/firstfmge.20171121.116