12Cr12Mo馬氏體不銹鋼葉片斷裂原因分析

李艷軍 侯家緒 高秀娜 唐艷志

（1.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000；2.華潤電力（錫林郭勒）有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 026000）

高鉻馬氏體不銹鋼蠕變強度高，耐熱疲勞性能和抗高溫氧化性能好，近年來發(fā)展迅速，常用于制造蒸汽管道、壓力殼體、核電構(gòu)件和汽輪機動靜葉片等［1-3］。這類鋼含鉻量較高，并含有W、Mo、V、Nb、Si等鐵素體穩(wěn)定化元素，在冶煉和熱加工過程中可能會形成δ-鐵素體，從而降低鋼的高溫持久強度、沖擊韌性等性能［4-5］，但目前這方面的研究報道較少。本文對某電廠12Cr12Mo馬氏體不銹鋼葉片斷裂的原因進行了分析，研究了不同形態(tài)δ-鐵素體對馬氏體不銹鋼沖擊韌性的影響。

1 試驗材料與方法

某電廠汽輪機末三級葉片斷裂。試驗用1號葉片為斷裂葉片，2號葉片為完好葉片，為同一生產(chǎn)批次產(chǎn)品。采用FOUNDRY-MASTER PRO型直讀光譜儀分析試驗用葉片的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示，成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求［6］。葉片的宏觀形貌如圖1所示，1號葉片裂紋位于出汽側(cè)附近的內(nèi)弧面，裂紋擴展區(qū)面積較大且有密集的貝紋。從1、2號葉片不同部位（圖2）取樣進行金相檢驗和力學(xué)性能測定。

表1 葉片的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition of the blades（mass fraction） %

圖1 裝配的葉片F(xiàn)ig.1 Assembled blades

圖2 1號葉片橫截面低倍形貌Fig.2 Lower-magnification view of cross-section of the blade No.1

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

從圖2所示的葉片3個部位取樣，采用Axiovert 40 MAT型金相顯微鏡進行金相檢驗，1號葉片組織均為回火馬氏體和δ-鐵素體，δ-鐵素體體積分數(shù)約為10%，部位1、2處δ-鐵素體均呈帶狀，部位3處呈塊狀，如圖3所示。δ-鐵素體的硬度比馬氏體低150 HB左右，它的存在會降低鋼的強度［7］，在軋制過程中沿軋制方向變形，因此可認為1號葉片中帶狀鐵素體主要是塊狀鐵素體沿軋制方向變形所致。2號葉片組織為回火馬氏體和少量δ-鐵素體，δ-鐵素體體積分數(shù)為1% ～2%，在葉片進汽側(cè)和出汽側(cè)均呈帶狀，如圖4中箭頭所示。GB/T 8732—2014《汽輪機葉片用鋼》規(guī)定，12Cr12Mo鋼中δ-鐵素體體積分數(shù)最多不得超過3%，1號葉片中δ-鐵素體含量超過要求范圍的上限。

圖3 圖2所示1號葉片部位1（a）、2（b）和3（c）的顯微組織Fig.3 Microstructures in positions 1（a），2（b）and 3（c）of the blade No.1 showed in Fig.2

圖4 2 號葉片部位1（a）、2（b）和3（c）的顯微組織Fig.4 Microstructures in positions 1（a），2（b）and 3（c）of the blade No.2

2.2 拉伸性能

采用UTM5305型微機控制電子萬能試驗機測定1、2號葉片的拉伸性能，拉伸試樣取自葉片中部和進汽側(cè)，檢測結(jié)果如表2所示?？梢?、2號葉片拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，1號葉片的抗拉強度較2號葉片約低50 MPa。

表2 葉片的拉伸性能Table 2 Tensile properties of the blades

2.3 沖擊性能

從葉片進汽側(cè)切取標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，受部位限制，出汽側(cè)沖擊試樣為小尺寸試樣（5 mm×10 mm×55 mm）。沖擊試驗結(jié)果如表3所示，其中用小尺寸試樣檢測的結(jié)果已按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)沖擊吸收能量。1號葉片進汽側(cè)沖擊試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，2號葉片進汽側(cè)僅有1個沖擊試樣符合要求，2個葉片出汽側(cè)試樣的沖擊吸收能量均低于要求值的下限。文獻［8-9］表明：12Cr12Mo鋼的沖擊吸收能量基本為90～160 J，可見1號葉片進汽側(cè)10%體積分數(shù)的塊狀δ-鐵素體并未顯著影響沖擊韌性，而10%體積分數(shù)的帶狀δ-鐵素體則使韌性下降約50%。

表3 葉片的沖擊吸收能量Table 3 Impact absorption energy of the blades

2.4 掃描電子顯微鏡及能譜分析

1號葉片斷裂發(fā)生在機組運行過程中，斷口已氧化。從葉片的部位1和3取樣，采用FEI Quanta650型掃描電子顯微鏡進行金相檢驗，如圖5所示?？梢姴课?的帶狀δ-鐵素體體積分數(shù)超過15%；部位3主要為準(zhǔn)解理斷裂，局部有較深的撕裂縫隙，塊狀鐵素體區(qū)為穿晶斷裂，有一定的韌性斷裂特征（如圖5中箭頭所示）。對圖5中部位1馬氏體區(qū)和帶狀δ-鐵素體區(qū)分別進行能譜分析，結(jié)果表明，帶狀鐵素體區(qū)的Cr、Si含量明顯高于其他區(qū)域，如圖6和表4所示。有關(guān)文獻表明，馬氏體鋼中δ-鐵素體為富Cr區(qū)［10］，而Si是鐵素體形成元素，會促進馬氏體鋼中形成大量δ-鐵素體，以上結(jié)果符合馬氏體鋼中δ-鐵素體成分的基本特點。

圖5 1號葉片部位1（a）和3（b）的掃描電子顯微形貌Fig.5 Scanning electron micrographs of positions 1（a）and 3（b）in the blade No.1

3 分析與討論

金相和沖擊韌性檢驗結(jié)果表明：斷裂葉片即1號葉片中10%體積分數(shù)的塊狀δ-鐵素體對材料沖擊韌性無顯著影響，而10%體積分數(shù)的帶狀δ-鐵素體使沖擊韌性下降了約50%；2號葉片中帶狀δ-鐵素體體積分數(shù)雖然僅為1% ～2%，但其沖擊韌性也低于要求值的下限，說明很少量的帶狀δ-鐵素體就顯著影響材料的沖擊韌性。

δ-鐵素體為高溫相，鐵素體形成元素含量或軋制溫度控制不當(dāng)均會導(dǎo)致制造過程中δ-鐵素體大量析出［11］。從能譜分析結(jié)果看，帶狀δ-鐵素體固溶有較多Cr、Si等元素，減弱了馬氏體不銹鋼的固溶強化和沉淀強化效果，使鋼的高溫持久強度和沖擊韌性下降［4，12］。目前，關(guān)于δ-鐵素體對鋼韌性影響的研究結(jié)果有差異。文獻［13-15］顯示，多邊形和針狀鐵素體均明顯降低含W型10%Cr（質(zhì)量分數(shù)）超超臨界鋼的沖擊韌性，δ-鐵素體的存在會嚴重影響馬氏體鋼的沖擊性能。文獻［16］則表明，δ-鐵素體會降低鋼的強度但不會降低鋼的韌性，極低量δ-鐵素體甚至?xí)岣吣承╀摰捻g性。有學(xué)者認為，δ-鐵素體含量是影響馬氏體鋼沖擊韌性的重要因素，10% ～20%體積分數(shù)的δ-鐵素體對鋼的韌性影響很小。

圖6 1號葉片馬氏體區(qū)（a）和帶狀鐵素體區(qū)（b）的能譜分析Fig.6 Energy spectrums of martensite area（a）and ferrite area（b）in the blade No.1

表4 1號葉片不同區(qū)域的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 4 Chemical compositions of different areas in the blade No.1 （mass fraction） %

因此，不同形態(tài)的δ-鐵素體對馬氏體鋼韌性的影響有明顯差異，塊狀δ-鐵素體對12Cr12Mo馬氏體鋼韌性的影響不明顯，而帶狀δ-鐵素體會導(dǎo)致其韌性顯著降低。

4 結(jié)論

（1）馬氏體不銹鋼中很少量的帶狀δ-鐵素體就顯著影響鋼的沖擊韌性。

（2）10%體積分數(shù)的塊狀鐵素體對馬氏體鋼沖擊韌性的影響較小，而相同體積分數(shù)的帶狀鐵素體則使鋼的沖擊韌性降低約50%。

（3）斷裂葉片的熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致帶狀δ-鐵素體含量遠高于要求值，使其韌性和持久強度降低，從而在運行中疲勞斷裂。