Laves相對P92鋼沖擊韌性影響的試驗研究

張紅軍, 周榮燦, 范長信

(西安熱工研究院有限公司,西安 710032)

目前,作為潔凈煤發(fā)電的超超臨界火力發(fā)電技術(shù),具有高效、節(jié)能和環(huán)保等眾多特點,有可能使機組的發(fā)電效率提高到47%,有效提高了化石能源的利用效率并降低了污染物的排放[1-2].在我國,2003年以來,建設(shè)了大批超超臨界火力發(fā)電機組,在這些機組上將P92鋼用作主蒸汽管道和再熱蒸汽管道.P92鋼是在P91鋼基礎(chǔ)上通過添加約1.8%的W,降低約0.5%的Mo,并加入B元素等形成的先進(jìn)9%Cr馬氏體耐熱鋼,在600℃、時效105h下的蠕變斷裂強度可達(dá)到113 MPa,比 P91鋼提高了約20%,作為蒸汽管道,最高使用溫度可達(dá)到 625℃[3].P92鋼在600℃左右的使用過程中,組織上發(fā)生的一個重要變化為Laves相Fe2(W、Mo)的沉淀析出.Laves相作為新的析出相,生長速度很快,高于強化相M23C6,對材料的性能有很大影響[4-7].另外,P92鋼在運行過程中,組織上的變化還包括位錯密度的降低、沉淀相的長大以及其他新相的析出等[8-11].一些研究結(jié)果表明Laves相會導(dǎo)致P92鋼的熱時效脆化[12-14],但究竟Laves相對P92鋼脆化的影響程度有多大,尚未見到報道.本文的研究目的在于初步確定P92鋼在650℃時效產(chǎn)生的Laves相對沖擊韌性的影響程度.

1 試驗材料與方法

試驗材料為進(jìn)口的P92鋼管,供貨狀態(tài)為正火+回火.以此狀態(tài)為基礎(chǔ),對該鋼進(jìn)行650℃時效試驗和時效后760℃回火熱處理試驗,獲取了500 h、1000 h、3000 h和10000 h時效試樣,試樣編號及其相應(yīng)的狀態(tài)見表1.對時效試樣和時效后回火處理試樣進(jìn)行沖擊吸收能量的測定,然后采用掃描電子顯微鏡(SEM)對各狀態(tài)試樣的組織和沖擊斷口進(jìn)行觀察,并在透射電子顯微鏡(TEM)下進(jìn)行選區(qū)電子衍射(SAED)和X射線能譜(EDS)分析,以及電解萃取出第二相顆粒粉末進(jìn)行XRD試驗.沖擊試驗的試樣為10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣.

表1 試樣編號及其相應(yīng)的狀態(tài)Tab.1 Sample number and its specifications

2 試驗結(jié)果

2.1 沖擊吸收能量

不同狀態(tài)下P92鋼試樣的沖擊吸收能量的試驗結(jié)果見圖1.正、回火狀態(tài)試樣A的沖擊吸收能量KV8均值為136 J;650℃時效后,試樣B、C、D和試樣E的平均KV8分別降低至 76 J、53 J、46 J和 37 J;時效后再經(jīng)760℃回火4 h處理的試樣F、G和試樣H的沖擊吸收能量得到一定程度的提高,平均KV8分別達(dá)到134 J、89 J和88 J.

圖1 不同狀態(tài)下P92鋼試樣的沖擊吸收能量的試驗結(jié)果Fig.1 Impact properties of P92 steel under different conditions

2.2 沖擊斷口

圖2給出了典型的沖擊斷口形貌.正、回火狀態(tài)的試樣A的斷口無放射區(qū),僅有纖維區(qū)和剪切唇,見圖2(a);其他狀態(tài)試樣的沖擊斷口均含有纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇,3個區(qū)域的組成比例因狀態(tài)不同而有差別.650℃時效10000 h試樣E的斷口晶狀斷面率達(dá)到65%左右,見圖2(b).時效后經(jīng)回火處理的試樣F和試樣H的斷口形貌見圖2(c)和圖2(d),與回火處理前相比,晶狀斷面率降低,韌性得到很大改善.所有試樣沖擊斷口的纖維區(qū)微觀上均表現(xiàn)為韌窩,其典型斷口形貌見圖2(e);試樣的放射區(qū)微觀上表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂,其典型斷口形貌見圖2(f).

2.3 微觀組織

圖3給出了P92鋼在SEM下的典型背散射電子像,時效后的試樣組織中出現(xiàn)了白亮顆粒,且隨著時效時間的增加,此類型顆粒的含量增加.圖4為E試樣的TEM分析結(jié)果.圖5為第二相XRD圖譜.經(jīng)分析,確定圖3中白亮顆粒為平均原子序數(shù)較高的Laves相(Fe,Cr)2(W,Mo),其中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為:w(Fe)為 38.8%;w(Cr)為 8.12%;w(W)為41.48%和 w(Mo)為11.6%.

圖2 典型的沖擊斷口形貌Fig.2 Ty pical fracture appearance of impact samples

圖3 典型的背散射電子像Fig.3 Typical back scattering electron images

不同狀態(tài)下P92鋼中的Laves相面積百分?jǐn)?shù)的變化示于圖6.從圖6可知:在650℃時效后的面積百分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了Laves相,析出位置為原奧氏體晶界和馬氏體板條界(見圖4),其含量隨著時效時間的增加逐漸增多,由正、回火狀態(tài)下的0增加到10000 h下的約2.8%,長時間時效后趨于穩(wěn)定.Laves相含量的變化趨勢與沖擊吸收能量相一致,隨著時效時間的增加,其增加速度逐漸降低.經(jīng)過760℃回火4 h處理后的時效試樣中除試樣F基本無Laves相外,其他回火試樣均含有約0.75%的Laves相.760℃回火4 h處理只是基本消除了650℃短期時效內(nèi)產(chǎn)生的Laves相,而長時間時效下產(chǎn)生的大量的Laves相大部分發(fā)生回溶,但仍然有少量存在,且顆粒尺寸較大.

圖4 E試樣的TEM試驗結(jié)果Fig.4 TEM images of sample E

圖5 第二相XRD圖譜Fig.5 XRD spectrum of secondary phases

圖6 Laves相面積百分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Evolution of area percentage of Laves phase

3 分析與討論

3.1 沖擊吸收能量與組織

650℃時效試樣的沖擊吸收能量隨著時效時間的增加逐漸降低,且在時效早期沖擊吸收能量的下降速度較快,與正火、回火狀態(tài)試樣A相比,時效3000 h試樣D的沖擊吸收能量降低了約70%,3000 h時效后沖擊吸收能量逐漸趨于穩(wěn)定.對于時效狀態(tài)試樣,Laves相含量的變化與沖擊吸收能量的變化趨勢相一致,顯示出Laves相與沖擊吸收能量之間存在必然聯(lián)系.Laves相沿原奧氏體晶界和馬氏體板條界析出,且長大速度較快,高于M23C6,因而大大降低了界面處組織的韌性.同時,由于Laves相是通過W、Mo元素的擴散形成,且W、Mo元素作為固溶強化元素添加到P92鋼中,在時效時發(fā)生的脫溶將會降低基體的強韌性.這些組織上的變化導(dǎo)致P92鋼發(fā)生脆化.

經(jīng)過760℃回火4 h處理后的時效試樣的沖擊吸收能量得到大幅度增加,組織中的Laves相含量大大降低,有效改善了材料的沖擊韌性.650℃、500 h試樣回火處理前后沖擊吸收能量的均值分別為76 J和134 J,而經(jīng)回火處理后,其沖擊韌性基本恢復(fù)到正、回火狀態(tài)的水平.時效3000 h的試樣D和10000 h試樣E在回火處理后的沖擊吸收能量雖未恢復(fù)到正、回火狀態(tài),但與回火處理前相比,其沖擊吸收能量增長幅度在一倍以上,分別達(dá)到89 J和88 J.而在時效500 h時,組織上的主要變化為Laves相的沉淀析出,馬氏體板條的回復(fù),沉淀相M23C6和MX的變化程度不大,因此在760℃回火4 h處理后通過消除Laves相使得沖擊吸收能量得到完全恢復(fù),在此狀態(tài)下沖擊吸收能量的降低基本上是由Laves相的沉淀析出引起的.650℃時效3000 h和10000 h的試樣D和試樣E的沖擊吸收能量降低到正、回火狀態(tài)的30%～40%,760℃回火4 h處理試樣G和試樣H的沖擊吸收能量可提高到正、回火狀態(tài)的65%,提高了 30%～40%,但仍有30%～40%未得到恢復(fù).結(jié)合組織分析結(jié)果(見圖3和圖6),760℃回火4 h處理后的試樣G和試樣H組織上的Laves相中的W和Mo元素大部分發(fā)生回溶,但仍存在約0.75%的Laves相.可見,在650℃長時間時效條件下,可初步判斷出Laves相對沖擊韌性的影響程度高于組織中其他變化的總和,所以可斷定:Laves相對沖擊性能的影響起著主要作用.同時根據(jù)沖擊吸收能量的變化還可看出:650℃時效早期組織的變化主要為 Laves相的沉淀析出,在3000 h以上長時間時效下,Laves相的析出基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),但隨著時效時間的增加,Laves相含量的變化卻不明顯.因此筆者推斷,在長時間高溫作用下,P92鋼組織上的其他變化逐漸顯得重要.

3.2 沖擊吸收能量與沖擊斷口

時效試樣、時效后經(jīng)760℃回火4 h處理的試樣沖擊斷口晶狀斷面率的變化趨勢和幅度與沖擊吸收能量的降低率相一致(圖7),且隨著時效時間的增加,晶狀斷面率的增加速度逐漸減小,并且趨于穩(wěn)定.

從圖7可看到:正、回火狀態(tài)試樣A的沖擊斷口基本無放射區(qū)(見圖2),斷口晶狀斷面率為0;650℃時效500 h試樣B的斷口晶狀斷面率達(dá)到48%;650℃時效10000 h試樣E的斷口晶狀斷面率達(dá)到65%.因此可以斷定:時效誘導(dǎo)的晶狀斷面率的變化主要集中在短期時效內(nèi).

圖7 沖擊斷口晶狀斷面率與沖擊吸收能量的降低率Fig.7 Percentage of cry stallinity on impact fracture surface and the percentage reduction of impact absorbed energy

時效后經(jīng)760℃回火4 h處理的試樣F、試樣G和試樣H的沖擊斷口晶狀斷面率分別約為13%、35%和35%,大大低于回火處理前對應(yīng)的時效狀態(tài),可見回火處理后沖擊韌性得到了改善.因此,可以得出:晶狀斷面率的變化也是回火處理后韌性變化的一個體現(xiàn).

650℃時效500 h試樣B經(jīng)760℃回火4 h處理后(試樣F)的沖擊吸收能量恢復(fù)到正、回火狀態(tài),即材料的沖擊韌性基本得到完全恢復(fù).但從斷口上看(圖2),試樣F的沖擊斷口與試樣A的沖擊斷口存在明顯區(qū)別:試樣A的沖擊斷口基本無放射區(qū),晶狀斷面率為0;而試樣F的斷口存在放射區(qū),晶狀斷面率約為 13%.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19748—2005《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法》,沖擊吸收能量由裂紋形成能量和裂紋擴展能量兩部分組成,從材料沖擊斷口形貌看,試樣F的裂紋擴展能量要小于試樣A,反之,試樣A的裂紋形成能量要小于試樣F.650℃短期時效試樣經(jīng)回火處理后,沖擊吸收能量能夠得到恢復(fù),但沖擊吸收能量的組成卻發(fā)生了變化.

4 結(jié) 論

(1)在時效過程中,P92鋼中的Laves相沿原奧氏體晶界和馬氏體板條界析出和長大,Laves相在650℃短時間時效內(nèi)即產(chǎn)生,含量增加速度較快,且在長時間時效下含量趨于穩(wěn)定.

(2)Laves相對P92鋼熱脆化的影響程度取決于時效時間:在短時間時效下,Laves相的析出和長大占主導(dǎo)地位;隨著時效時間的增加,其影響份額逐漸降低,組織中的其他變化變得逐漸重要起來,但Laves相的析出和長大仍是主要影響因素.

(3)P92鋼在時效過程中產(chǎn)生的 Laves相經(jīng)760℃回火處理后發(fā)生回溶,其完全回溶所需的回火時間隨Laves相含量的增多而延長.

(4)短期時效后經(jīng)760℃回火4 h處理的試樣的沖擊吸收能量得到恢復(fù),但其沖擊吸收能量的組成比例卻發(fā)生了變化.

(5)時效狀態(tài)和時效后回火處理狀態(tài)的P92鋼的晶狀斷面率和沖擊吸收能量間存在著對應(yīng)關(guān)系.

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