服役時間對1Cr5Mo鋼制高溫緊固螺母顯微組織和力學(xué)性能的影響

張騰雨，韓 濤，吳術(shù)全，江 峰，張志博，姜世凱

(1.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司，濟(jì)源 459012)

0 引 言

火電機(jī)組運(yùn)行時，高溫緊固件在溫度、應(yīng)力等的聯(lián)合作用下，性能會逐漸下降并發(fā)生多種形式的失效，給電廠帶來極大的隱患，甚至引起重大安全事故[1]。近年來，ALLOY783合金及蒸汽鋼螺栓失效事件時有發(fā)生。螺栓的失效形式主要包括松弛失效、蠕變損傷、脆化、應(yīng)力腐蝕和疲勞斷裂等[2-3]。與螺栓相比，螺母由于工作環(huán)境和受力狀態(tài)較好，損壞概率較小[4]。螺母的失效主要受溫度影響，當(dāng)長時間服役于高溫條件下時，其顯微組織會逐漸改變并產(chǎn)生退化，最終造成力學(xué)性能下降。目前關(guān)于火電廠緊固件的研究大多集中在螺栓失效分析方面，而對螺母在長期服役過程中組織和性能的變化研究相對較少。2018年某電廠因?qū)Ψ勐菽钢匾暢潭炔粔颍袎褐髌T閥蓋螺母性能嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致發(fā)生門蓋沖脫飛出事件。由于部分材料的螺母是由汽輪機(jī)廠家自行研制的，因此標(biāo)準(zhǔn)中對于螺母性能的規(guī)定較少。

1Cr5Mo馬氏體耐熱鋼目前廣泛應(yīng)用于高溫爐管和汽輪機(jī)高溫緊固件；鉻元素有助于提高其抗氧化性能、耐腐蝕性能和組織穩(wěn)定性能，適量的鉬則保證了其在600 ℃以下具有較好的熱強(qiáng)性[5-6]。馬氏體耐熱鋼高溫服役后也會出現(xiàn)性能下降的現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者從多個角度對此進(jìn)行了研究。MARUYAMA等[7]和石如星等[8]認(rèn)為，回火馬氏體中的馬氏體板條和析出相會阻礙位錯亞結(jié)構(gòu)在長期高溫下的回復(fù)，極大減緩馬氏體耐熱鋼的回火速率，從而獲得更加穩(wěn)定的高溫力學(xué)性能。YANO等[9]對兩種鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)均為11%的馬氏體鋼進(jìn)行長期熱時效后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時效溫度低于550 ℃時，鋼的硬度變化很小，當(dāng)溫度超過600 ℃時，硬度明顯下降。然而目前，相關(guān)研究大多集中在鉻含量為9%～12%的高鉻馬氏體耐熱鋼方面，較少涉及鉻含量較低的馬氏體耐熱鋼，如1Cr5Mo鋼等在高溫長期服役后的組織和性能變化。

某火電廠超臨界機(jī)組于2004年9月投產(chǎn)，汽輪機(jī)側(cè)溫度為566 ℃，高導(dǎo)管法蘭螺母材料為1Cr5Mo鋼。2017年12月電廠機(jī)組臨檢時發(fā)現(xiàn)該螺母硬度發(fā)生大幅下降，存在較大的失效風(fēng)險，無法達(dá)到螺母30 a的設(shè)計使用壽命要求。為了查明1Cr5Mo鋼制火電機(jī)組螺母長期服役后性能下降的原因，作者對未服役螺母進(jìn)行高溫(566 ℃)時效試驗(yàn)(等效于服役)，研究了服役時間對顯微組織和力學(xué)性能的影響。該研究可以為火電機(jī)組高溫緊固件設(shè)計選材提供技術(shù)支持，對保證火電機(jī)組的安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為未服役和在上述超臨界火電機(jī)組服役約105h的1Cr5Mo鋼制螺母，化學(xué)成分見表1。其中，碳和硫元素含量由CS-344型紅外碳硫分析儀測定，磷元素含量由乙酸乙酯萃取法測定，其他元素含量由ICP-AES型全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀測定。該螺母在服役前后的化學(xué)成分幾乎不變，符合哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)B/HJ417-2004《金屬材料技術(shù)條件》對1Cr5Mo不銹鋼緊固件的規(guī)定。在566 ℃下對未服役螺母進(jìn)行連續(xù)高溫時效試驗(yàn)，時效時間分別為1 440，2 880 h。

表1 服役前后1Cr5Mo鋼制螺母的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在螺母上取樣，經(jīng)打磨、拋光后，使用氯化鐵鹽酸溶液(10 g FeCl3+20 mL HCl+40 mL H2O)腐蝕20 s，通過Nikon ECLIPSE MA200型倒置光學(xué)顯微鏡和S-2700型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織，利用SEM附帶的能譜儀(EDS)對碳化物成分進(jìn)行半定量分析。根據(jù)GB/T 231.1-2018，使用HB-3000C型布氏硬度計測定硬度，每個試樣測3個點(diǎn)取平均值。根據(jù)GB/T 228.1-2010，在螺母上截取圓柱形拉伸試樣，使用MTS 880型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣直徑為5 mm，引伸計標(biāo)距為25 mm，拉伸應(yīng)變速率為0.6×10-3s-1。根據(jù)GB/T 229-2007，在螺母上截取尺寸為55 mm×7.5 mm×10 mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，開V型缺口，使用JBC-300型電子測力沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，沖擊速度為5.2 m·s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出，未時效(未服役)1Cr5Mo鋼制螺母的顯微組織為回火馬氏體，在566 ℃時效1 440，2 880 h后組織未發(fā)生明顯改變。這說明在不高于566 ℃下，1Cr5Mo鋼的顯微組織轉(zhuǎn)變是一個極其緩慢的過程。服役105h后馬氏體板條完全消失，形成了以鐵素體為基體、基體上分布著細(xì)小均勻碳化物的復(fù)相組織，即回火索氏體，螺母組織發(fā)生一定程度的退化。

由圖2可以看出，未服役螺母基體上彌散分布著大量白色碳化物，在566 ℃下隨著時效時間(亦即服役時間)的延長，碳化物逐漸向晶界處遷移富集，并且發(fā)生明顯的粗化，基體內(nèi)的碳化物大幅減少。

由圖3可知：未服役1Cr5Mo鋼制螺母基體內(nèi)碳化物的主要組成元素為鐵，此外還含有少量的鉻、鉬等元素；服役105h后，晶界處析出的碳化物中鉻、鉬等合金元素含量大幅增加，鐵含量下降，推測該碳化物為M23C6(M為鐵、鉻、鉬)。由上述結(jié)果推測：未服役螺母中的鉻、鉬等合金元素均勻地固溶在基體內(nèi)，起到固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用；經(jīng)長時間服役后，這些合金元素由基體向晶界遷移富集，形成M23C6碳化物，造成基體中合金元素一定程度的貧化。隨著時效時間延長，M23C6碳化物發(fā)生粗化，一方面是由于1Cr5Mo馬氏體鋼組織中回火析出的細(xì)小彌散的碳化物顆粒的界面能非常高，在長期高溫條件下，這種碳化物顆粒易發(fā)生長大[10-13]；另一方面，1Cr5Mo馬氏體鋼為過飽和固溶體鋼，基體中固溶的合金元素在長期高溫作用下會發(fā)生脫溶，并向碳化物中擴(kuò)散，從而促進(jìn)碳化物顆粒的長大[14]。碳化物的不斷析出消耗了大量合金元素和碳元素，造成基體元素不斷脫溶，從而導(dǎo)致馬氏體分解。晶界處碳化物的粗化和馬氏體的分解過程是一致的。

圖1 在566 ℃下時效不同時間前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的顯微組織

圖2 在566 ℃下時效不同時間前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的SEM形貌

圖3 未服役和服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母中碳化物(位置見圖2)的EDS譜

圖4 時效前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的沖擊斷口形貌

2.2 力學(xué)性能

未服役1Cr5Mo鋼制螺母的硬度為255 HB，符合B/HJ417-2004中1Cr5Mo不銹鋼緊固件毛坯硬度在248～302 HB的出廠要求；時效1 440，2 880 h以及服役105h后螺母的硬度分別為215，197，164 HB?？梢?，經(jīng)時效和實(shí)際服役后螺母的硬度發(fā)生大幅度降低。由表2可知，隨著時效/服役時間的延長，1Cr5Mo鋼制螺母的強(qiáng)度和沖擊功均發(fā)生大幅度下降。結(jié)合組織變化分析可知：在566 ℃下服役105h后，1Cr5Mo鋼中的回火馬氏體分解，形成了回火索氏體組織；未服役基體上彌散分布的碳化物可以起到釘扎位錯，提升基體強(qiáng)度的作用，而隨著服役時間的延長，碳化物在晶界處析出且粗化，削弱了固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化效果。因此，螺母的強(qiáng)度和沖擊功下降。服役105h后螺母的斷后伸長率提高約5%，這是因?yàn)榉?05h后的組織由回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w?；鼗鹚魇象w是鐵素體與碳化物構(gòu)成的復(fù)相組織，該組織鐵素體中的碳含量較少，碳化物呈球狀分散且穩(wěn)定；這種組織與回火馬氏體相比具有更高的塑性。

表2 時效前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的力學(xué)性能

由圖4可以看出：未時效和在566 ℃時效1 440 h后螺母的沖擊斷口存在大量韌窩，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征；相同溫度服役105h后螺母的沖擊斷口則呈脆性斷裂特征，斷裂方式為沿晶斷裂，這與其沖擊功急劇下降的試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

(1) 在不高于566 ℃的條件下，1Cr5Mo鋼制螺母的顯微組織轉(zhuǎn)變十分緩慢，當(dāng)服役時間為2 880 h時，顯微組織仍由馬氏體和碳化物組成，服役約105h后，顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w；隨著服役時間的延長，碳化物由晶內(nèi)向晶界處遷移富集，并發(fā)生明顯粗化。

(2) 隨著服役時間的延長，螺母的硬度、強(qiáng)度和沖擊功均大幅下降，斷后伸長率有所增加；當(dāng)服役時間不長于1 440 h時，其沖擊斷裂形式為韌性斷裂，服役約105h后為沿晶脆性斷裂。