630℃长时时效对G112钢组织和力学性能的影响

常 征，项金钟，程世长，杨 钢，李玲霞

（1.云南大学物理科学技术学院，昆明 650091；2.钢铁研究总院特钢所，北京 100081）

0 引 言

火力发电在我国发电总量中占80%以上，为提高发电效率、降低能耗、减少排放，需要发展高参数的超超临界火电机组，现在主蒸汽管道的压力已达30MPa、温度达610℃，过热器温度达625℃，这对锅炉用钢提出了更高的要求。为此，钢铁研究总院开 发 了 G112 钢［1－2］。G112 钢 是 11Cr-3W-3Co型马氏体锅炉用钢，经过6a的研究，目前已经试制出φ76mm×9mm和φ254mm×25mm的钢管。大量试验结果表明，该钢管的高温抗蒸汽氧化腐蚀性能和高温持久强度均高于T/P92钢的。考虑到G112钢主要应用于630℃锅炉管，其寿命要求达10～30a，但目前有关此钢经高温长期使用后组织与性能变化的研究并不多，为了解其组织与性能变化的本质和规律，作者对此钢在630℃下进行了长时时效处理以模拟实际使用时的工况，研究了时效时间对组织演变及其性能的影响。

1 试样制备与试验方法

试验钢用真空炉冶炼，化学成分为（质量分数/%）0.10C，0.21Si，0.44Mn，0.005 5P，0.000 6S，10.87Cr，3.05W，2.96Co，0.011B。

从φ254mm×25mm×600mm的钢管中取样加工成直径为15mm的圆棒和截面为14mm×14mm的方棒试样，试样经1 070℃×1h空冷及760℃×3h空冷处理后，在630℃下分别进行10，100，500，1 000，3 000h的时效处理。

对试样腐蚀后用FEI Quanta 650FEG型热场扫描电子显微镜（SEM）观察其显微组织。腐蚀剂为50mL水＋50mL酒精＋50mL盐酸＋1g氯化铜＋3.5g氯化铁＋2.5mL硝酸溶液。室温冲击韧性试验按GB/T 229－2007进行，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，缺口为标准的夏氏V型缺口，每个状态取3个试样平均值。高温拉伸试验在MTS-880型材料试验机上按照GB/T 4338－2006《金属材料高温拉伸试验》，测630℃高温拉伸性能。

用APD-10型X射线衍射仪（XRD）测试样中析出相种类（钴靶Kα射线，输出电压30kV，电流25mA）。然后用化学定量相分析方法确定各个相的含量和组成。过程如下：先用电解法提取萃取物，其中电解液为体积分数为5%盐酸＋2%柠檬酸＋5%甘油甲醇溶液，电流密度为0.08A·cm－2，电解温度在 －5～－8℃，电解时间为1.5h；再采用抽滤法收集，然后经稀的电解液洗涤3次，再用体积分数为95%乙醇洗涤干净，所收集的萃取物用定量分析及X射线法定性分析。

利用扫描电镜附带的背散射电子系统（BSE）和能谱仪（EDS）对不同析出相进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 析出相

从图1可见，10h时效态试验钢只含有M23C6相和 M（C，N）相，100～3 000h时效态试验钢中含有 M23C6相、M（C，N）相和Laves相。

图1 630℃时效不同时间后G112钢的XRD谱Fig.1 XRD patterns of G112steel after aging for different times at 630 ℃

表1 630℃时效不同时间后G112钢中各析出相的含量（质量分数）Tab.1 Contents of precipitated phases in G112steel after aging for different times at 630 ℃（mass） %

由表1可知，在630℃时效过程中，10～100h时效区间，G112钢中M23C6相的含量增加了3.6%（质量分数，下同），M（C，N）相的含量增加了7.3%，Laves相开始析出，时效100h后G112钢中Laves相的含量为1.695%，占析出相总量的41.6%；100～500h时效区间，析出相总量增加了21.5%，其中M23C6相增加了2.6%，M（C，N）相增加了3.4%，Laves相增加了48.7%，时效500h后G112钢中Laves相的含量占析出相总量的50.9%；500～1 000h时效区间，Laves相、M23C6相和 M（C，N）相分别增加了1.0%，5.0%和1.7%；1 000～3 000h时效区间，M（C，N）相只增加了0.8%，M23C6相增加了6.7%，而Laves相增加了17%，时效3 000h后G112钢中Laves相占析出相总量的52.8%。

Laves相是由铁与铬、钨等合金元素组成的Fe2W型金属间化合物［3－4］，相分析结果表明，G112钢中的Laves相在630℃时效10h后析出。由图2（a）可见，钨元素主要分布在晶界上，因此推出Laves相大部分存在于晶界，其余主要分布于板条界上。

M23C6相是以铁、铬为主要元素的碳化物相［5－6］，由于原子序数高的元素其原子背散射电子发射系数高，而钨原子序数大于铬的，故在背散射图像下钨呈白色亮斑，如图2（b）所示。

图2 630℃时效3 000h后G112钢形貌及EDS谱Fig.2 Morphology and EDS spectra of G112steel after aging for 3 000hat 630 ℃：（a）SEMmorphology and area scanning of element W；（b）BSE morphology；（c）EDS spectrum and analysis result of Laves phase and（d）M23C6phase

由BSE像及EDS分析结果推断，3 000h时效态G112钢的晶界和晶内存都在大量的Laves相和M23C6相，Laves相平均尺寸在600nm左右，M23C6相的平均尺寸在800nm左右。

2.2 显微组织

由图3可见，经630℃时效不同时间后，G112钢组织均为回火马氏体，随着时效时间的延长G112钢中马氏体板条逐步回复。

由图4可见，时效10h后，M23C6相主要分布在晶界上，数量相对较少，尺寸小于100nm，晶内有少量析出；时效100h后，析出相数量明显增多，此时的析出相为Laves相和M23C6相，平均尺寸均在100nm左右，主要分布于晶界和晶内；时效500h后，晶界和晶内的Laves相和M23C6相数量进一步增多、尺寸继续增大，平均尺寸约为300nm；时效1 000h后，Laves相和 M23C6相进一步长大，平均尺寸增大到400～500nm；时效3 000h后，晶界上的Laves相和M23C6相由粒状转变为链状，平均尺寸在700～800nm，晶内开始出现析出相聚集现象。

2.3 组织演变对力学性能的影响

由图5可见，随时效时间的延长G112钢力学性能总体呈下降趋势。在10～100h时效区间内，高温强度和室温冲击功下降；在100～500h时效区间内，高温强度、室温冲击功略有上升；在500～1 000h时效区间内，高温强度、室温冲击功大幅下降；在1 000～3 000h时效区间内，高温强度、室温冲击功下降趋势趋于平缓，高温抗拉强度在375～380MPa之间，高温屈服强度为330～335MPa，室温冲击功约为12J，与时效10h后的G112钢相比，其高温抗拉强度下降了11.8%，高温屈服强度下降了12.0%，室温冲击功下降了52.2%。

630℃长时时效过程中G112钢中马氏体板条发生了明显的回复现象，如图4所示。材料的力学性能受马氏体板条回复弱化和析出相强化的共同影响［7－8］。

时效10h后，M23C6相优先在晶界和板条界处析出，细小的M23C6相对试验钢起强化作用；同时随着马氏体板条的回复，板条逐渐变宽，板条对试验钢的强化作用减弱。此时马氏体板条回复弱化起主导作用，因此10～100h钢的高温强度下降。

图3 630℃时效不同时间后G112钢的显微组织Fig.3 Microstructure of the G112steel after aging at 630 ℃ for different times

图4 630℃时效不同时间后G112钢的SEM形貌Fig.4 SEMmorphology of G112steel after aging at 630 ℃ for different times

在100～500h时效区间，Laves相和M23C6相的含量分别增加了48.7%，2.6%，大量细小的Laves相和M23C6相分布在晶界和板条界上，此时析出强化作用大于因马氏体板条回复的弱化作用，因此G112钢的高温强度上升。同时板条的回复使试验钢的韧性上升。

图5 G112钢力学性能与时效时间的关系Fig.5 The relationships between mechanical properties of G112steel and aging time：（a）high temperature strength at 630℃ and（b）room temperature impact energy

在500～1 000h时效区间，马氏体板条进一步回复，晶界上的Laves相和 M23C6相长大明显，Laves相和M23C6相的平均尺寸在500nm左右，对试验钢仍然有较强的强化作用，但板条大量回复使板条弱化作用再次成为主导，试验钢的高温强度大幅下降。

时效3 000h后，对试验钢高温强度起重要作用的马氏体板条强化作用相对变弱。晶界和板条界存在大量的Laves相和M23C6相，两者总量达到4.737%，占析出相总量的84%，Laves相和 M23C6相的平均尺寸在700～800nm。Laves相和M23C6相是长时时效后的主要强化析出相，但板条的弱化使试验钢的高温强度继续下降。

3 结 论

（1）在630℃时效10～3 000h过程中，随时效时间的延长，G112钢的高温强度和室温冲击韧性逐渐下降。

（2）在630℃时效不同时间后，G112钢的组织均为回火马氏体，随着时效时间的延长马氏体板条逐步回复；630℃时效10h的钢中析出相为M23C6相和M（C，N）相；时效10h后开始析出Laves相；时效3 000h时的析出相为Laves相、M23C6相和M（C，N）相。

（3）在630℃时效10～3 000h过程中，G112钢中的Laves相主要分布在晶界和板条界上，3 000h时 Laves相的含量接近3%。增加了75.6%，占析出相总量的52.8%；Laves相在时效过程中逐渐长大，3 000h时后的平均尺寸在600nm左右；与M23C6相相比，Laves相的尺寸更小，数量更多，对提高钢的高温强度贡献更大。

（4）630℃时效10h后，M23C6相主要分布在晶界上，含量为1.479%，尺寸约100nm；时效3 000h后在晶内和晶界都存在大量的M23C6相，含量增加到1.76%，增加了19%，平均尺寸增加到800nm左右。

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