力学性能对低碳马氏体不锈钢00Cr13Ni5Mo抗空蚀性能的影响

秦 斌，秦承鹏，郑玉贵

（1.宝山钢铁股份有限公司，上海 200431；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016）

前言

我国水力资源丰富，发展水电事业潜力巨大。水轮机是水电工程的关键设备，在运转过程中不可避免地遭受空蚀、冲蚀[1]，致使水轮机的过流部件损伤严重，不得不定期大修。因此，开发性能优异的水轮机用材、优化相关制造工艺参数对于延长水电站大修周期，提高水能资源利用率显得极为重要。现阶段国内外大中型水轮机用材主要是低碳马氏体不锈钢，是在Cr13马氏体不锈钢的基础上大幅度降低碳含量，控制镍的含量在4%-6%范围内，并加入少量的合金元素钼形成的，其力学性能可以通过热处理进行调整，具有良好的强度、韧性和可焊性[2]。0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢是水轮机叶片的常规用材，人们对其热处理工艺、力学性能及过流部件关心的抗空蚀、冲蚀性能都有一定的研究[3,4]。本文主要侧重于研究00Cr13Ni5Mo在不同热处理之后的抗空蚀性能，试图确定力学性能对抗空蚀性能的影响规律，为工业生产中选择最佳热处理工艺提供参考。

1 试验材料和方法

试验材料是厚度为 50mm的常规的00Cr13Ni5Mo，其化学成分及热处理工艺分别见表1、表2。热处理后按GB/T 228-2002在100kN精密拉伸机(SCL103)上进行螺纹头圆棒拉伸试验，试样尺寸为M16 mm×120mm；按照GB/T 229-1994进行了夏比V型缺口冲击试验，试样尺寸为10mm×10mm×55mm；在KB3000 BVRZ上测定了布氏硬度，硬度的测试方向为垂直于板面（采用10mm的WC合金球压头）；依照GB/T 17897-1999在Princeton VMP3多通道恒电位仪上测试了材料的点蚀电位；利用XRD分析相比例。

空蚀试验采用超声振动空蚀实验机，参照ASTM G32-92振动空蚀实验标准，试验介质为蒸馏水，水温25±1℃，峰峰振幅60μm，振动频率20kHz，功率500W。试样工作面面积为1.82mm2，表面依次经过150～800#水磨砂纸打磨，然后用无水乙醇超声清洗并吹干，空蚀实验周期为12h，每隔一定时间将试样拆下称重，称重前先用无水乙醇超声清洗并吹干，然后用感量为0.1mg的电子天平称重，通过比较不同间隔时间的失重量来衡量材料的空蚀破坏程度。

表1 化学成分wt.%

表2 热处理工艺及编号

2 试验结果

2.1 在蒸馏水中的空蚀

图1是空蚀12h后，00Cr13Ni5Mo不锈钢经过正火后不回火、正火+500℃～700℃回火的各试样的累积失重量及累计失重率曲线。每条曲线主要表现为三个阶段，空蚀孕育期大约为半小时左右，随着空蚀时间的延长逐渐进入失重上升期，大约在4h后进入稳定期。空蚀12h后，00Cr13Ni5Mo不锈钢各试样的累积失重量大小顺序为（550℃回火、600℃回火）＞650℃回火＞500℃回火＞700℃回火＞正火后不回火。经过700℃回火和正火后不回火的试样抗空蚀性能较好，空蚀12h后的累积失重量分别为125.6mg和117.2mg，经过500℃回火和经过650℃回火的试样居中，其累积失重量分别为130.6mg和141.1mg；经过550℃回火和600℃回火的试样抗空蚀性能相对较差，空蚀12h后的累积失重量分别为147.3mg和147.1mg。

2.2 强度和硬度的影响

图2中是00Cr13Ni5Mo经过正火后不回火及不同回火条件时的抗拉强度、屈服强度、布氏硬度和空蚀12h后的累积失重。抗拉强度、屈服强度与布氏硬度随着回火温度变化的规律基本相同，即在正火不回时抗拉强度、屈服强度与布氏硬度值较高，当回火温度从500℃升高至650℃时，数值逐渐降低，并在650℃时达到最小值，随后随着温度的增加开始上升。12h累积失重量在不回火时最低，随回火温度的升高先上升后下降，在550℃～600℃处最大，这与抗拉强度、屈服强度与布氏硬度随回火温度的变化有着明显的相关性，即抗拉强度、屈服强度和布氏硬度数值较低时，累积失重较大，反之亦然。但是它们之间并非完全对应，比如抗拉强度、屈服强度与布氏硬度的最低值出现在650℃，而累积失重的最大值出现在550℃～600℃。

图1 蒸馏水空蚀试样的累积失重量(a)及累积失重率(b)曲线

图2 强度和硬度对12h累积失重的影响

2.3 冲击功与延伸率的影响

图3中是00Cr13Ni5Mo经过正火后不回火及不同回火条件时的冲击功、延伸率和空蚀12h后的累积失重。冲击功与延伸率随回火温度变化的规律基本一致，即在正火不回火时冲击功与延伸率值较低，随着回火温度从550℃升高至650℃，冲击功与延伸率值逐渐增加至最大值，而后随着回火温度的上升而下降。累积失重随回火温度在数值上的变化规律与冲击功和延伸率的数值变化相近，只是冲击功、延伸率的最大值出现在650℃，而累积失重的最大值出现在550℃～600℃。

图3 冲击功和延伸率对12h累积失重的影响

3 分析讨论

通常情况下，材料的空蚀过程分为四个阶段，即孕育期、上升期、稳定期和衰减期[5]。在孕育期内，材料失重不明显，这是因为空蚀强度的积累还没有达到使表面材料大量脱落的程度，这时材料表面层产生塑性变形，但并没有体积和质量的损耗，甚至没有明显的破坏痕迹，在本实验过程中也观察到了这一阶段。在上升期，由于材料表面的加工硬化和裂纹扩展，失重率逐渐增大。与此同时，空蚀裂纹不断增多，并逐渐扩展，最终使材料由表面开始剥落，故材料失重量开始逐渐上升，在累积失重量曲线上表现为曲线斜率逐渐增大。而在稳定期与材料表面的同步加工硬化有关。表面材料均匀剥落，累积失重量曲线的斜率为一常数，失重率达到峰值。在衰减期阶段，材料的失重率平滑地降低或微小波动地降低。这种降低与粗糙表面附近空泡溃灭压力降低有关，也与陷于损伤材料表面的孔洞中液体的缓冲作用或与空蚀区内气体的气垫作用有关。这里由于试验时间相对较短，前三阶段比较明显，而第四个阶段不明显。

由图2知道空蚀破坏中的累积失重和材料的抗拉强度、屈服强度、布氏硬度有关，总体情况下材料的抗拉强度、屈服强度、布氏硬度值愈高，其累积失重就愈小，但是抗拉强度、屈服强度、布氏硬度值的最低值出现在650℃，而累积失重的最高值出现在550℃～600℃。00Cr13Ni5Mo是一类在回火过程中发生奥氏体逆转变，同时伴有马氏体分解和碳化物析出的钢，如图4所示。当回火温度在500℃～650℃内升高时，残余奥氏体的量增加，这使得材料的强度下降，延伸率、冲击功增加；当回火温度继续升高至700℃时，高温时逆变的奥氏体量增加，但是稳定性变差，这使得部分逆变奥氏体在回火后的冷却过程中再次转变成马氏体，这使得材料的拉伸强度和硬度升高，但是延伸率和冲击功下降，如图3所示。650℃回火后尽管00Cr13Ni5Mo的硬度有所下降，但仍表现出比550℃～600℃回火更优异的抗空蚀性能，可能与试样中存在较多的逆变奥氏体量有关，逆变奥氏体分布于回火马氏体板条间，具有较高的强度和良好的韧性，对空蚀过程中产生的冲击波或微射流在材料内部传播过程中起到良好的阻碍作用，从而表现出较优异的抗空蚀性能。

图4 回火试样的XRD图谱

4 结论

（1）空蚀12h后，00Cr13Ni5Mo不锈钢各试样的累积失重量大小顺序为（550℃回火、600℃回火）＞650℃回火＞500℃回火＞700℃回火＞正火后不回火。

（2）抗拉强度、屈服强度与布氏硬度对00Cr13Ni5Mo抗空蚀性能有直接的影响，抗拉强度、屈服强度和布氏硬度数值较低时，累积失重较大，反之亦然。但是抗拉强度、屈服强度与布氏硬度的最低值出现在650℃，而累积失重的最大值出现在550℃～600℃。

（3）00Cr13Ni5Mo在回火过程中发生奥氏体逆转变，较多的逆变奥氏体量使材料在具有较高强度的同时还具有良好的韧性，这使00Cr13Ni5Mo经650℃回火后在硬度有所下降的条件下表现出比550℃～600℃回火时更优的抗空蚀性能。

[1] 高家诚,孙玉林.水轮机过流部件用材料的抗磨蚀技术措施[J].磨蚀与防护,2004,25(8):355-385.

[2] 孙霞,刘春明.铸造低碳马氏体不锈钢的现状与发展趋势[J].铸造,2007,26(1):1-5.

[3] 柳伟,郑玉贵,刘常升,姚治铭,柯伟.20SiMn低合金钢和0Cr13Ni5Mo不锈钢多相流损伤行为研究[J].材料研究学报,2002,16(6):585-589.

[4] 柳伟,郑玉贵,姚治铭,吴欣强,柯伟.清水和含沙水中20SiMn和0Cr13Ni5Mo钢的空蚀行为[J].金属学报,2001,37(2):197-201.

[5] A.Karimi and J.L.Martin.Cavitation erosion of materials.International Metals Reviews[J].1986,31(1):1-6.