预变形量对SUPER304H钢管性能的影响

杨华春，杨小川，杨金炳，于明明，赖仙红

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，自贡 643001）

0 引 言

SUPER304H钢是由日本住友金属株式会社在ASME SA-213TP304H钢的基础上，通过降低锰含量上限，加入约3%（质量分数，下同）的铜、约0.45%的铌和一定量的氮而开发出的，目的是使其在服役时产生微细弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相，并与基体紧密结合，该富铜相能与NbC、NbN、NbCrN、M23C6一起产生极佳的强化作用。该钢具有较好的抗腐蚀性和抗氧化性，目前已得到ASME code case 2328-1批准，并纳入了 ASME SA-213M-2010标准，其UNS（金属和合金的统一编号系统）代号为S30432。十余年来，该钢在国内外燃煤电站得到了广泛应用，常作为蒸汽温度为600℃左右的超（超）临界锅炉过热器和再热器管用材。

为给该钢的应用提供相关基础技术数据，国内外对其进行了大量研究，特别是其在高温应用下的各种重要性能，如高温抗氧化性和抗腐蚀性［1－2］、时效稳定性［3－6］等。然而，这些研究多是基于未预变形钢进行的，有关其经历一定预变形后的试验研究较少，或者即便有预变形但时效时间也很短［7－8］。

实际上，在制造锅炉过热器和再热器管束时，钢管的部分区域需经受不同程度的弯曲变形，而这些弯管在炉内使用时与直管段承受的工况相同，即长期在高温、承压下运行。直管段为固溶状态，而弯管段则在固溶的基础上经历了一定变形。高温承压运行对弯管性能的影响如何，弯管段的固溶处理工艺等都是值得研究的问题。虽然 ASME code case 2328-1中对SUPER304H钢管弯曲后的固溶处理推荐参照TP347H钢管，即弯管预变形量大于15%（对应相对弯曲半径不大于3.3倍管径）时需重新固溶；但由于过多重新固溶处理将会对锅炉的制造工艺、制造周期及成本等造成重大影响，因而有必要对其变形后的高温性能进行相应的研究，为完善制造工艺提供指导。

鉴于管子弯曲后，弯管段无法切取试样，所以作者通过拉伸对直钢管进行预变形，用以模拟弯管，之后对其在700℃进行时效处理，并结合微观形貌分析来研究预变形量对钢管性能的影响，以期为今后的规范编制、工艺完善提供技术依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为日本住友生产的φ45mm×8.1mm的SUPER304H钢管，状态为固溶处理态，化学成分见表1。对其分别进行0，15%，20%的拉伸预变形，然后取一部分在700℃进行时效处理，时间分别为100，1 000，5 000h。拉伸后的钢管记为变形钢管，时效处理后的钢管记为时效钢管。

按ASMESA-370标准要求制备硬度试样，用

表1 试验用SUPER304H钢管的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of tested SUPER304Htube（mass） %

HW187.5型布洛维硬度计测管段截面上的洛氏硬度；分 别 按 ASME SA-370、ASTME 8 制 备φ6.25mm的室温拉伸和短时高温拉伸试样，并采用AG-250KNE型电子拉伸试验机依据 ASME SA－370、ASTME21进行室温力学性能测试以及700℃短时高温拉伸试验；按GB/T 2039－1997《金属高温蠕变及持久强度试验方法》制备φ5.0mm的持久试样，并采用RC-1130型持久试验机对变形钢管进行验证性持久试验，试验温度为700℃，应力水平为110MPa，并与住友原始数据进行对比；采用JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织，腐蚀液为三氯化铁盐酸溶液（由5g FeCl3、50mL HCl、100mL H2O 组成）；用线切割切取厚度约0.5mm的薄片，经1000＃水砂纸磨至100μm，最终用双喷电解减薄制备透射电镜（TEM）用试样，电解液为10%（体积分数）高氯酸乙醇溶液，电压50V，温度－10℃，采用JEM-3010型高分辨透射电子显微镜（TEM）进行显微分析。

2 试验结果与讨论

2.1 对力学性能的影响

从表2可看出，预变形量对变形钢管的断面收缩率基本无影响；另外，随着预变形量从0增加到15%，变形钢管的室温屈服强度、抗拉强度、硬度均大幅提高，而且屈服强度的提高更为明显，断后伸长率虽然下降较多，但仍维持在较高水平；当预变形量从15%进一步增加到20%时，屈服强度、抗拉强度、硬度仍继续增大，断后伸长率继续下降（仍有一定塑性），但这种变化趋势已大大趋缓。高温短时拉伸试验结果的变化趋势与此类似。这是因为SUPER304H钢管为奥氏体型耐热钢，其原始组织为奥氏体，塑性非常高。变形后，在奥氏体晶粒内出现了大量位错、孪晶，从而出现了形变强化效果［9］，故经15%变形后的钢管较未变形钢管的强度出现了较大提升；但当预变形量进一步增加到20%时，因为位错、孪晶的密度已无法进一步大幅提高，因此20%的预变形量并不能进一步大幅强化钢管，这可从图1所示的两种预变形量下的TEM形貌没有明显区别得到证实，故其强度与硬度、断后伸长率的变化趋势减缓。

表3的结果表明，与预变形量为0的时效钢管相比，变形量为15%和20%的时效钢管的硬度虽然增加较多（对应的强度也提高不少），但硬度与时效时间的关联度却不大。从钢管的硬度变化来看，硬度的高低主要与是其否变形有关，即时效时间的延长并未明显改变其硬度，这可能与5 000h的时效处理对变形钢管未起到十分明显的回复作用、以及第二相在晶内弥散析出有关。另外，并未观察到文献［8］中提到的蠕变试验中先发生强化后发生软化的现象，这很可能与本试验所用时效时间较长（文献［8］中的时效时间很短）有关，因为在不同时间段内第二相析出物的尺寸、形态有差异，从而导致对性能的影响不同。

表2 不同预变形量SUPER304H钢管的力学性能Tab.2 Mechanical properties of different pre-deformed SUPER304Htubes

图1 不同预变形量钢管的TEM形貌Fig.1 TEMmorphology of different pre-deformed tubes with 15% （a）and 20%（b）pre-deformation

表3 不同预变形量钢管时效不同时间后的力学性能Tab.3 Mechanical properties of different pre-deformated tubes after aging for different time

对比表2与表3的短时高温性能可以发现，5 000h的时效使未变形钢管的短时高温抗拉强度和塑性下降，但未使屈服强度明显降低；5 000h的时效使变形钢管的屈服强度和抗拉强度同时下降，而且塑性有所上升（但并不明显）。之所以出现上述现象，与钢管时效前的原始组织（固溶后的组织为过饱和奥氏体、变形后的组织不稳定，在一定条件下不稳定的组织会不断地形成一些新相）以及高温下引发的原子扩散导致组织发生细微变化有关。对于未变形的钢管，其原始组织为少量的未溶第二相以及等轴奥氏体，在高温长时时效过程中，不断有第二相在奥氏体晶界和晶粒内析出、聚集、长大［3－4］，且有明显沿晶界析出的粗大网状第二相，如图2（a）所示，造成固溶强化和时效强化效应有所弱化，故而出现短时高温抗拉强度和塑性下降的现象。而未变形钢管的屈服强度原本就十分低，组织的这种变化对屈服强度的影响不明显。而对于变形并经时效处理的钢管而言，变形之后形成的大量能量较高的晶体缺陷可作为第二相的析出核心，在高温时效的原子扩散作用下促进了第二相的早期快速弥散形核析出，但经5 000h时效后，由于能量较高、第二相聚集长大，这自然会引发屈服强度与抗拉强度同时下降；变形后钢管的塑性较低，时效处理后的回复并不明显，故仍保持有明显的塑性变形迹象，如图2（b～c）所示。

综上可知，该钢管具有较好的变形能力，且经过一定程度变形及时效后仍具有一定的塑性。

2.2 对持久性能的影响

图2 不同预变形量钢管时效5 000h后的SEM形貌Fig.2 SEMmorphology of different deformed tubes after aging for 5 000h

图3 不同预变形量钢管的700℃持久性能验证结果Fig.3 Creep rupture proof test results of different pre-deformation tube at 700 ℃

从图3可以看出，变形钢管的持久性能验证性试验数据略低于住友公司持久数据的回归线，但处于住友试验数据的下分散带之上，这说明试验所选择的预变形量对钢管的持久性能有一定影响，但比较有限。这可从图4的SEM形貌得到佐证，在110MPa应力下，未变形、预变形量为15%，20%钢管的断裂形貌相似，均为沿奥氏体晶界以块状或条状析出的第二相，以及在奥氏体晶粒内部析出的细小第二相，特别是晶界上第二相尺寸的差异也不是十分明显，晶界处形成孔洞。这表明无论钢管是否经历了变形，其在持久试验的蠕变过程中，微观演化规律基本相同。

另外，由图5（a）可以看出，即便是20%预变形量、110MPa应力下持久断裂的试样，其晶内的富铜相粒子也十分细小，其尺寸为10～40nm，与经15%及20%预变形量、时效5 000h试样的晶内粒子尺寸相近，如图5（b～c）所示。这表明晶内细小第二相的稳定性相当高，这种细小粒子对钢管的强度很有益处［1］。

图4 不同预变形量钢管在110MPa应力下持久断口附近的SEM形貌Fig.4 SEMmorphology near creep ruptured fracuture of different pre-deformed tubes at strain of 110MPa

图5 持久试样和时效试样晶内第二相的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of second phases in grains of different samples：（a）pre-deformation of 20%，creep rupture sample，fracture after 6 913h；（b）pre-deformation of 20%，aging for 5 000hand（c）pre-deformation of 15%，aging for 5 000h

3 结 论

（1）随预变形量的增加，变形SUPER304H钢管的强度、硬度均提高，塑性下降较多，但仍有一定塑性。

（2）时效后SUPER304H钢管硬度的变化主要与预变形量有关，而与时效时间无关；时效会降低变形钢管的短时高温拉伸强度。

（3）试验条件下的预变形量对SUPER304H钢管的高温持久性能有一定影响，但有限。

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