核电站用NiCrMoV多层多道焊接金属的低周疲劳与断裂行为：微观组织区域差异对性能的影响机制

为解决核电站汽轮机焊接转子在复杂工况下的安全性能问题，研究人员针对30Cr2Ni4MoV多层多道焊接金属（WM）开展低周疲劳（LCF）与断裂行为研究。通过三种取样类型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型）分析柱状晶区（CGZ）、等轴晶区（EGZ）和再结晶晶区（RGZ）的微观组织差异，发现EGZ占比高的Ⅱ型试样具有更高强度和更优LCF性能，而RGZ占比高的Ⅲ型试样断裂应变最大。研究揭示了粗大球状M7C3碳化物诱导疲劳损伤的机制，为焊接转子服役安全提供理论支撑。

　　

随着经济发展和生活水平提升，电力需求激增，核能作为高效清洁能源备受关注。然而，核电站关键部件如汽轮机转子的安全性始终是焦点。NiCrMoV钢因其优异的强度、韧性和疲劳性能，被广泛应用于核电站低压转子制造。传统锻造转子虽性能均匀，但成本高昂且工艺复杂，而焊接转子通过多层多道窄间隙埋弧焊（NG-SAW）技术可实现高性能低成本制造。但焊接金属（WM）因多次热循环导致微观组织不均匀，形成柱状晶区（CGZ）、等轴晶区（EGZ）和再结晶晶区（RGZ）的交替叠加结构，这种异质性可能成为疲劳失效的薄弱环节。尤其在启停和变负荷工况下，转子承受超出屈服强度的低周疲劳（LCF）载荷，WM的疲劳性能直接关系到核电站运行安全。

为系统研究这一问题，兰州理工大学的研究团队以30Cr2Ni4MoV多层多道焊接金属为对象，通过三种取样方向（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型）分析微观组织与LCF性能的关联性，成果发表于《Materials Science and Engineering: A》。研究采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）等技术表征微观组织，结合显微硬度测试和电液伺服疲劳试验机评估力学性能，建立了M₇C₃碳化物与疲劳损伤的定量关系模型。

材料与焊接制造
研究对象为12米长、含9条焊缝的30Cr2Ni4MoV焊接转子，采用NG-SAW工艺制备。通过轴向（A）、周向（C）和径向（R）取样分析组织异质性。

微观组织、显微硬度与拉伸性能
EBSD分析显示WM由CGZ、EGZ和RGZ组成，三者均以板条回火马氏体为主，但EGZ含粒状贝氏体，RGZ含块状铁素体。显微硬度排序为EGZ（267 HV）> CGZ（261 HV）> RGZ（249 HV）。Ⅱ型试样因EGZ占比最高（约50%），表现出最优强度和LCF性能；而RGZ占比43%的Ⅲ型试样断裂应变最大但强度最低。

不同取样方法对焊接金属低周疲劳性能的影响
疲劳裂纹萌生于CGZ，证实其为WM的疲劳薄弱环节。裂纹扩展区以微孔和球状M₇C₃碳化物为主导，粗大碳化物通过促进局部应变集中加速疲劳损伤。研究提出LCF裂纹扩展模型，阐明碳化物尺寸与疲劳寿命的负相关性。

结论与意义
研究首次系统揭示了取样方向通过改变CGZ/EGZ/RGZ比例影响WM的LCF性能：EGZ提升强度，RGZ增加塑性，而CGZ是疲劳裂纹萌生源。粗大M₇C₇碳化物的控制是优化疲劳性能的关键。该成果为核电站焊接转子的制造工艺改进和服役安全评估提供了重要依据，被资助方国家自然科学基金和甘肃省教育厅列为创新性突破。Wenke Wang等作者强调，未来需进一步优化焊接热循环参数以减少RGZ比例，同时开发碳化物细化技术以延长转子寿命。