硅對鐵素體耐熱鋼微觀組織及力學性能的影響

張英波 田 叢 張 晶 柳重陽

(吉林鐵道職業(yè)技術學院,吉林 吉林 132299)

耐熱鋼作為燃煤發(fā)電技術的核心材料,其性能的優(yōu)劣不僅關乎火力發(fā)電機組的安全運行,同時也影響電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。18Cr-Al-xSi耐熱鋼是歐洲研發(fā)的新型鐵素體耐熱鋼,其主要是在傳統(tǒng)鐵素體鋼的成分基礎上,通過提高鋼中鉻元素的含量,并添加適量的鋁和硅元素,以提高鋼的抗高溫氧化性[1-2]。目前,該鋼主要作為過熱器及再熱器管的連接件材料應用于火力發(fā)電機組,具有廣闊的應用前景[3-4]。

連接件材料加工后要經(jīng)過熱處理才能使用,熱處理后的晶粒尺寸不僅影響材料的力學性能,同時也對其抗高溫氧化性產(chǎn)生一定影響[5-7]。18Cr-Al-xSi耐熱鋼中添加硅元素主要是為了提高其抗高溫氧化性,但不同的硅含量也會導致鋼的鐵素體晶粒尺寸發(fā)生變化,進而對力學性能產(chǎn)生一定影響[8]。本文主要研究了硅含量對18Cr-Al-xSi耐熱鋼微觀組織及力學性能的影響,闡明硅元素的作用機制。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用電爐+AOD+VOD三步法冶煉兩爐耐熱鋼,鋼錠質(zhì)量為80 kg,其化學成分如表1所示。冶煉完成后,首先將鋼錠加熱至1 200 ℃保溫1.5 h鍛造成厚度約40 mm的方坯,之后將方坯加熱至1 150 ℃保溫1 h,在熱軋機上經(jīng)三道次軋制成7 mm厚的板材,最后經(jīng)880 ℃保溫45 min空冷退火處理。

表1 試驗鋼的化學成分Table 1 Chemical compositions of the tested steel

1.2 試驗方法

將退火后鋼板沿縱向加工成標準拉伸試樣,經(jīng)水砂紙逐級打磨至1 000目(13 μm)后在WDW-300型萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,測試3個平行試樣。在拉伸試樣端部截取矩形試樣并經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后進行硬度測試,在Duramin-A300型數(shù)字維氏硬度計上進行,試驗力為3 N,加載時間為10 s,在鐵素體晶粒內(nèi)部不同位置測量5次,并取均值。

金相試樣分別從熱軋板及硬度測試試樣上截取,經(jīng)打磨、拋光后,在5 g Cu2SO4+20 mL HCl+20 mL H2O混合溶液中浸蝕10～20 s。利用Zeiss Gemini 300型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)及能譜儀(energy dispersive spectrometer, EDS)表征鋼中析出物的形貌和成分,并觀察拉伸斷口形貌。利用JEM-F200型場發(fā)射透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)表征析出物的形貌及成分。

2 試驗結果及分析

2.1 硅含量對試驗鋼微觀組織的影響

圖1(a,b)為兩種不同硅含量的試驗鋼的熱軋態(tài)顯微組織?？梢钥闯?經(jīng)熱軋后,0.3Si試驗鋼的組織多為回復態(tài),僅有少部分區(qū)域發(fā)生再結晶;而0.9Si試驗鋼的組織多為均勻分布的鐵素體晶粒,表明該狀態(tài)下為完全再結晶組織。硅含量的增加會導致材料的變形抗力增加,進而較早或較大程度地發(fā)生回復和再結晶[9]。因此,0.3Si試驗鋼多為變形后的纖維狀組織,而0.9Si試驗鋼的再結晶晶粒數(shù)量明顯增加。

圖1 兩種硅含量試驗鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the two tested steels with different silicon contents

圖1(c,d)為兩種試驗鋼的退火態(tài)顯微組織?？梢园l(fā)現(xiàn):經(jīng)880 ℃保溫45 min空冷退火處理后,0.3Si試驗鋼發(fā)生了完全再結晶,鐵素體晶粒分布均勻;而0.9Si試驗鋼的鐵素體晶粒發(fā)生明顯粗化,其尺寸明顯大于0.3Si試驗鋼。通過Image J軟件測得0.3Si和0.9Si試驗鋼退火后的鐵素體平均晶粒尺寸分別為77.69和120.41 μm。

圖2為兩種試驗鋼退火后析出物的SEM形貌?？梢钥吹?0.3Si試驗鋼退火后析出物主要在鐵素體晶內(nèi)或晶界析出,通過對圖2(a)中P1位置析出物進行能譜分析發(fā)現(xiàn),該析出物主要含C、Cr、Fe和Mn元素,以及少量的Al、Si及O元素,如表2所示;0.9Si試驗鋼退火后析出物也主要在鐵素體晶內(nèi)或晶界析出,通過對圖2(b)中P2位置析出物進行能譜分析發(fā)現(xiàn),該析出物主要含C、Cr、Fe和Mn元素,以及少量的Al、Si及O元素,如表2所示。這兩種析出物可能是M23C6碳化物,其中M可能為Fe或Mn元素,檢測到的少量Al、Si及O元素主要是受基體或制樣影響而產(chǎn)生的干擾[8]。

圖2 兩種硅含量試驗鋼退火后析出物的SEM形貌(a,b)及能譜分析(c,d)Fig.2 Scanning electron micrographs(a,b) and EDS analysis(c,d) of the precipitates in the two tested steels with different silicon contents after annealing

表2 圖2中P1和P2位置析出物的化學成分Table 2 Chemical compositions of the precipitates at P1 and P2 positions in Fig.2

為進一步明確兩種硅含量試驗鋼中析出物的類型,對退火試樣進行TEM表征。從圖3(a)可以觀察到,0.3Si試驗鋼晶界的析出物主要呈條狀或塊狀,通過衍射斑點標定可知其晶帶軸方向為Z=[011],可以確定其為具有面心立方結構的M23C6碳化物;而從圖3(b)中可以觀察到,0.9Si試驗鋼晶界或晶內(nèi)的析出物呈條狀或塊狀,其衍射斑點標定晶帶軸方向Z=[011],也為面心立方結構的M23C6碳化物。

圖3 兩種硅含量試驗鋼退火后析出物的TEM形貌及衍射斑點分析Fig.3 Transmission electron micrographs and diffraction spot analysis of the precipitates in the two tested steels with different silicon contents after annealing

此外,結合圖2可以發(fā)現(xiàn),0.9Si試驗鋼的析出物數(shù)量及尺寸均大于0.3Si試驗鋼。通過Image J軟件測得,0.3Si和0.9Si試驗鋼的析出物平均尺寸分別為3.78和6.36 μm,表明硅含量的增加促進了M23C6析出物的形核和長大。通常認為,鐵素體不銹鋼中M23C6碳化物的析出溫度為480～650 ℃[10-11],而硅含量的增加會提高M23C6碳化物的析出溫度,析出溫度的升高有利于鋼中碳和鉻元素的擴散,促進M23C6碳化物的形核和長大[12-13]。

2.2 硅含量對試驗鋼力學性能的影響

圖4為兩種試驗鋼的應力-應變曲線和力學性能?？梢钥闯?0.3Si試驗鋼的抗拉強度和屈服強度分別為721.92和386.75 MPa,均高于0.9Si試驗鋼的666.56和336.93 MPa;0.3Si試驗鋼的斷后伸長率為19.85%,低于0.9Si試驗鋼的23.21%。因此,硅含量的增加使試驗鋼的抗拉強度和屈服強度降低,斷后伸長率升高。

圖4 兩種硅含量試驗鋼的應力-應變曲線(a)和力學性能(b)Fig.4 Stress-strain curves(a) and mechanical properties(b) of the two tested steels with different silicon contents

0.3Si試驗鋼的硬度分別為282、274、297、277和288 HV0.3,平均值為283.6 HV0.3;0.9Si試驗鋼的硬度分別為235、242、244、251和232 HV0.3,平均值為240.8 HV0.3。

分析兩種試驗鋼的力學性能可以得出,硅含量的增加導致鋼的強度和硬度降低,斷后伸長率升高。根據(jù)Hall-Petch公式[14]:

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中:σ0為移動單個位錯所需要克服點陣摩擦的力;d為晶粒尺寸或析出物尺寸;k為常數(shù)。由式(1)可以看出,材料的屈服強度與晶粒尺寸倒數(shù)的平方根呈正比。從上述分析可知,經(jīng)過880 ℃保溫45 min退火后,0.9Si試驗鋼的鐵素體晶粒及M23C6碳化物尺寸均大于0.3Si試驗鋼,因此在拉伸試驗過程中,較大尺寸的鐵素體及M23C6碳化物會導致0.9Si鋼的強度降低、塑性提高[15]。一般認為,晶粒越細小,材料的強度和硬度越高。此外,M23C6碳化物是一種脆性相,在拉伸試驗過程中易在其周圍產(chǎn)生微裂紋,且當這種微裂紋形成后,較小尺寸的M23C6碳化物可以承受一定的變形,展現(xiàn)較好的韌性;而較大尺寸的M23C6碳化物周圍易產(chǎn)生應力集中,在擴展過程中易連接形成孔洞,從而引發(fā)脆性斷裂[16-18]。

2.3 斷口形貌

圖5為兩種硅含量試驗鋼的拉伸斷口形貌?？梢钥吹?兩種試驗鋼的拉伸斷口均主要由解理平臺和撕裂棱(箭頭所指)組成,同時在部分區(qū)域可觀察到少量的韌窩(虛線區(qū)域),因此可以判定試驗鋼的斷裂模式為韌-脆混合型斷裂。進一步比較還可以看到,0.3Si試驗鋼的斷口解理平臺較多而韌窩較少,0.9Si試驗鋼的斷口解理平臺數(shù)量較少而韌窩較多。

圖5 兩種硅含量試驗鋼的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture patterns of the two tested steels with different silicon contents

3 結論

(1)試驗鋼中硅含量的增加會促使熱軋態(tài)組織發(fā)生再結晶,而經(jīng)過退火處理后,硅含量的增加會引起鐵素體晶粒粗化。試驗鋼中主要析出物為M23C6碳化物,且隨著硅含量的增加,碳化物數(shù)量增多、尺寸增大。

(2)硅含量的增加會導致試驗鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度降低,斷后伸長率升高。鐵素體晶粒及碳化物尺寸的增大是試驗鋼強度和硬度降低的主要原因。

(3)兩種硅含量試驗鋼的拉伸斷口均主要由解理平臺和撕裂棱組成,部分區(qū)域可觀察到少量韌窩,其斷裂模式均為韌-脆混合型斷裂。