Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼相圖計算

孫 佳，張玉妥,王 培

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110159； 2.中國科學院金屬研究所，沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室，遼寧 沈陽 110016)

Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼相圖計算

孫 佳1，張玉妥1,王 培2

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110159； 2.中國科學院金屬研究所，沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室，遼寧 沈陽 110016)

利用Thermo-Calc軟件和相關數(shù)據(jù)庫對Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼 隨N含量變化的相分數(shù)進行計算。結果發(fā)現(xiàn)，當保持x+y=0.24wt.%時，隨著N的質量分數(shù)從0.015增加到0.10wt.%時，相圖沒有發(fā)生實質性的變化；但對室溫組織和碳化物Cr23C6、TaC和VN的析出產(chǎn)生了顯著的影響，從而改變了Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼奧氏體化后的析出序列。當N含量升高到0.085wt.%時，出現(xiàn)了新相Cr2N。XRD及萃取實驗結果與計算相符。這些計算結果可為Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼的成分設計、熱處理工藝設計和顯微組織觀察等提供依據(jù)。

馬氏體耐熱鋼；相圖計算；析出相

新型9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼具有更高的高溫持久強度和抗蠕變性，適用于更高溫度和壓力服役條件，被廣泛用于火電領域，而且被作為核電結構材料的候選材料之一[1-3]。N在9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼中能夠提高耐熱鋼的蠕變強度，且同時不降低沖擊韌性[4]。目前，對N在馬氏體耐熱鋼中的研究處在實驗階段，即依靠調(diào)整成分及熱處理制度來提高綜合性能。然而，N含量對9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼組織及性能的影響規(guī)律尚不明確。

應用Thermo-Calc軟件來計算相圖，對鋼的成分設計和組織演變，不僅節(jié)省時間和減少實驗工作量，而且可以繞過某些系統(tǒng)的實驗困難，既具有可行性，又具有必要性[5]。Thermo-Calc軟件是一種基于熱力學基本原理的計算軟件，對于各種合金的平衡態(tài)相圖、不同溫度下相的種類及相對量均可進行定量分析計算。Xiao等人[6]利用Thermo-Calc軟件計算出的12%Cr馬氏體耐熱鋼的相圖，與實驗結果基本相符，且Thermo-Calc軟件可以解決鋼中析出相的定性與半定量分析。本文利用Thermo-Calc軟件和相關數(shù)據(jù)庫對新型9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼隨N含量變化的相圖垂直截面進行計算,為此合金系的成分優(yōu)化和熱處理工藝制定提供依據(jù)。

1 Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼的二元相圖

1.1 計算方法

使用Thermo-Calc中的TCFE7數(shù)據(jù)庫在C與N的總含量不變的條件下計算二元相圖。橫坐標為N的質量含量，縱坐標為溫度(攝氏溫度)。

1.2 二元相圖分析與成分設計

圖1為根據(jù)表1的設計成分計算的Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN(x+y=0.24wt.%)馬氏體耐熱鋼四種不同N含量下的垂直截面圖。α為基體相。從圖中可看出，析出相的種類及析出序列在N含量落在不同的相區(qū)時，會有微小的變化。四個相區(qū)邊界的N含量分別為0.049wt.%、0.053wt.%和0.060wt.%。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分別表示不同相區(qū)的室溫組織。

表1 Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼的設計成分 wt.%

圖1 按照設計成分計算的垂直截面圖

從圖1中可看出：

Ⅰ：α+Cr23C6+σ+Z_phase+VN；

Ⅱ：α+Cr23C6+TaN+σ+Z_phase+Laves；

Ⅲ：α+Cr23C6+TaN+σ+Z_phase+Laves+TaC；

Ⅳ：α+Cr23C6+TaN+σ+Z_phase+Laves+Cr2N。

按照熱力學計算的結果，設計Steel 1#、2#、3#和4#合金的C(/N)的成分來代表不同的相區(qū)(1#和2#分別代表Ⅳ、Ⅲ，3#和4#均代表Ⅰ)。沒有設計成分代表相區(qū)B的合金，因為這個相區(qū)的組成與C的組成相似。表2為根據(jù)以上分析結果設計出的Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼的四種不同N含量的合金實測成分，可以看出N的含量分別落在Ⅳ、Ⅲ和Ⅰ三個相區(qū)，說明使用二元相圖來設計合金成分是可行的。

表2 Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN馬氏體耐熱鋼的四種成分 wt.%

2 不同N含量合金的相分數(shù)計算及各析出相的變化規(guī)律及對力學性能的預測

為研究N含量變化對各析出相的含量和析出溫度的影響，計算相分數(shù)。如圖2所示，肖翔[7]得出了相似的相分數(shù)計算結果。圖2為按照實測成分計算的相分數(shù)，從圖2a～圖2d可知，N含量的變化會影響Cr23C6、TaC和VN的析出溫度和含量?？傮w上，含N的析出相的含量隨N含量的升高而增加，相反，含C的析出相的含量隨N含量的增加而減小；但是，析出相含量的變化不僅與元素有關，也與所析出物質在鋼中的溶解度及析出相本身的尺寸有關。根據(jù)綜合分析，可得出結論：

(1)對于Cr23C6，隨N含量的升高，它的總體含量逐步減?。籆r23C6的析出量在700℃左右達到最大值，約為2.0～4.5wt.%；這是由于N含量升高的同時，C含量在降低的原因(相圖計算的條件為C+N的含量總和是不變的)。Cr23C6大多分布于晶界和板條亞晶界，在常溫下，具有彌散強化的作用，提高材料的力學性能；然而，經(jīng)過高溫蠕變過程，M23C6相對于原始態(tài)粗化嚴重，降低力學性能[8]。因此，Cr23C6含量的降低會使材料的常溫強度提高，而同時韌性降低。

(2)隨N含量的升高，VN的含量也逐漸升高，只是含量變化不大，約為0.5wt.%左右。VN在常溫下也具有析出強化的作用而提高力學性能；而在蠕變過程中，VN作為Z-相的形核位置也會粗化，但是N含量的升高可降低其粗化程度[9]。因此，VN含量的降低會使材料的常溫強度弱化。

(3)當N含量較小(≤0.045wt.%)時，基體中析出TaC，含量很小，約為0；隨著N含量逐漸升高，TaC相消失，出現(xiàn)TaN，推測極可能是因為TaN將TaC取代，這需要進一步的計算或實驗來驗證。TaC與VN均為MX相，在常溫下也具有析出強化的作用而提高力學性能[9]。鑒于相圖分析，TaC含量的降低也會使材料的常溫強度弱化。

(4)當N含量升高到0.085wt.%時，出現(xiàn)新相Cr2N，且隨著N含量的繼續(xù)升高，Cr2N的含量也隨之升高，最大值約為0.6wt.%(720℃)。Cr2N大多分布在亞晶界，細密且穩(wěn)定，雖然在常溫下也可起到沉淀強化的作用，但是它在馬氏體板條界的富集會降低沖擊韌性；高溫下可顯著提高蠕變強度。Cr2N與Cr23C6起的作用相似，它的含量降低也會因為析出強化作用的減弱而降低強度，而同時由于在馬氏體板條界面的析出減少會提高沖擊韌性。

Laves_phase、σ和Z_phase只有在長時間高溫條件下才會析出，本研究中不予考慮。

3 XRD實驗結果及分析

使用D/max-2500PC型CuKα靶X射線衍射儀測定試樣衍射峰及其半高峰寬，掃描速率為5°/min，試樣的掃描范圍為10°～85°。為避免基體衍射的干擾，通過電解實驗從基體中萃取出碳化物/氮化物，酸溶液的成分為30%的鹽酸和70%的甲醇。電解實驗設備示意圖如圖3所示。

圖2 按照實測成分計算的相分數(shù)

圖3 電解實驗設備示意圖

圖4為通過電解實驗萃取出的碳化物的XRD圖譜，所用樣品的熱處理工藝為1050℃×3h正火+750℃×2h回火?？梢钥闯?，在Steel 1#和Steel 2#的圖譜中，只觀察到了Cr23C6和TaC的衍射峰；在樣品1#和2#中沒有發(fā)現(xiàn)VN衍射峰，這是因為這些析出相在樣品中的含量極少。在Steel 3#的樣品中，沒有發(fā)現(xiàn)Cr2N，推測是由于含量過少(≈0)及實驗中存在的操作誤差導致。在Steel 4#的樣品中，XRD的圖譜顯示含有Cr2N，Cr23C6和VN的衍射峰。所有的XRD結果與Thermo-Calc相組分圖計算結果基本相符，說明以上熱力學計算可以準確預測析出相的存在與變化趨勢。

圖4 四種合金的XRD圖譜

4 結論

熱力學計算顯示，N含量的變化沒有對二元相圖和相分數(shù)產(chǎn)生實質性的影響。但是，隨著N含量的升高，回火過程中合金的室溫組織和析出相的種類發(fā)生了較大變化。

隨著N含量的變化，除了基體相α、γ和長時間高溫處理才能析出的相(Z_phase+Laves+σ)，VN、TaC、TaN和Cr2N相繼出現(xiàn)和消失，含量與析出溫度均受N含量影響。明確了這些析出相的含量和析出溫度隨N含量的變化后，對于后續(xù)的顯微組織分析和力學性能分析起著輔助和指導的作用。

理論計算中的碳化物與碳氮化物Cr2N、Cr23C6、TaC和VN均與XRD結果相符，說明以上熱力學計算結果在成分設計和相組成預測上的準確性與可行性。

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ThermodynamicCalculationoftheVerticalSectionsintheFe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yNMartensiticHeatResistantSteels

SUN Jia1,ZHANG Yutuo1,WANG Pei2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China; 2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang National Iaboratory for Materials Science,Shenyang 110016,China)

The phase fraction diagrams varying with the nitrogen content in the Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN martensitic heat resistant steels have been calculated by the Thermo-Calc software and Fe-based database.It has been shown that when thex+y=0.24wt.% with the increasing of N content from 0.015 to 0.10% (mass fraction),the phase region has not changed substantially,but the room temperature organization and the precipitation of the Cr23C6,TaC and VN phase has been affected,and the precipitation consequence in the Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN martensitic heat resistant steels has changed.As the N content reached 0.085wt.%,a new phase Cr2N precipitates.The XRD experiments results are all well consistent with the calculation results.The thermodynamic calculation could provide the basis for the design of the alloy, heat treatment and the microstructure observation of the Fe-9.7Cr-2.65Mn-xC-0.22V-2W-0.1Ta-1.5Si-yN martensitic heat resistant steels.

martensitic heat resistant steels;thermodynamic calculation;precipitates

2013-10-08

孫佳(1988—)，女，碩士研究生；通訊作者：張玉妥(1966—)，女，教授，博士，研究方向：凝固組織模擬與合金相圖計算；金屬材料制備工藝與計算機模擬.

1003-1251(2014)05-0053-05

TG142

A

馬金發(fā))