600℃时效后HR3C钢的显微组织和冲击韧性

李新梅，张忠文，杜宝帅，彭宪友

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002）

0 引 言

HR3C钢是在TP310钢的基础上通过复合添加铌、氮合金元素研制出的一种具有较高高温强度的奥氏体耐热钢，主要用于超超临界机组高温过热器和再热器的高温段，运行环境极为苛刻［1-3］。经高温高压运行后，HR3C钢的组织会发生变化，这势必会引起其性能发生改变［3-5］。研究表明［1-4］，HR3C钢在运行温度下具有明显的脆化倾向。锅炉在启停过程中，通常对材料的韧性有较高要求，尤其是奥氏体钢的线膨胀系数很大，运行过程中必须防止管排变形对其施加很大的约束力。为确保机组的安全运行，必须掌握钢材的时效变化规律，这使得研究HR3C钢高温时效后显微组织和性能的变化显得尤为重要。为此，作者研究了HR3C钢在600℃时效不同时间后的显微组织和冲击韧性，分析了析出相的种类、数量和形态变化，以及与冲击韧性变化之间的关系，为实现HR3C钢在服役中的有效监督提供依据。

1 试样制备与试验方法

试验钢采用日本住友公司生产的HR3C钢，尺寸（外径×壁厚）为φ45mm×9.6mm，化学成分如表1所示。与ASME标准相比，钢中含有非标成分钼元素，显然，这对提高钢的高温强度有利［6］。另外，除氮元素因标样原因没有检测出来之外，其余元素都在标准规定的范围内。

表1 HR3C钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composite of HR3C steel（mass） %

将HR3C钢加工成（管材纵向长度×宽度×厚度）60mm×12mm×6mm的长条试样，放入SX2 12-16型箱式电阻炉中，在空气条件下进行时效（时效温度为600℃，时效时间分别为100，200，300，500h），随炉冷却。

对时效后的试样按标准加工冲击试样［7］，试样规格为55mm×10mm×5mm，开“V”型缺口，每种状态取三个平行试样，在JB-30B型冲击试验机上进行室温冲击试验，并采用JSM-6380LA型扫描电镜观察断口形貌；采用Olympus Model BX51M型光学显微镜和JSM-6380LA型扫描电镜观察显微组织，金相试样用王水腐蚀，并用电镜附带的能谱仪（EDS）测析出相的主要合金元素；通过D/max-rc型X射线衍射仪确定相组成，具体参数为：铜靶，扫描范围20°～90°，加速电压45kV，电流100mA，扫描速度为2（°）·min-1，步进0.020°连续扫描。

2 试验结果与讨论

2.1 供货态的显微组织

由图1（a）可见，供货态HR3C钢的基体组织为单一奥氏体，并可见较多的孪晶，奥氏体晶粒尺寸很不均匀，且基体上分布有一定数量的析出相；由图1（b）可见，HR3C钢的组织中分布有大的颗粒状析出相，它们是固溶处理时未完全溶解的化合物，在晶界和晶内还可观察到一定数量的细小析出相。

图1 供货状态下HR3C钢的显微组织Fig.1 OM（a）and SEM（b）morphology of as-received HR3C steel

由图2可见，供货态HR3C钢的析出相主要为M23C6和Nb（C，N）化合物。根据 HR3C钢的成分可知，组织中还应有少量CrNbN，由于其含量较少而未被测出［8］。

2.2 时效态的显微组织

由图3可见，HR3C钢在600℃时效不同时间后的组织仍为奥氏体基体和析出相，奥氏体晶粒尺寸也没有明显变化，但组织中析出相的数量随时效时间延长发生了明显变化。时效100h后，晶界上和晶内明显有析出相析出，此时晶内和大部分晶界上析出相的尺寸较小，在晶内呈弥散分布，沿晶界则主要呈断续分布；随时效时间延长，析出相的数量增多，晶界上的析出相不断聚集、长大成条块状，并最终相互连接，而晶内析出相的尺寸和形态则相对变化不大。能谱分析结果表明，晶界上的析出相主要为铬、铁的化合物。

图3 HR3C钢在600℃时效不同时间后的SEM形貌及EDS谱Fig.3 SEM morphology and EDS spectra of HR3C steel after aging at 600 ℃ for different times：（a）100h，SEM morphology at low magnification；（b）100h，SEM morphology at high magnification；（c）300h，SEM morphology；（d）EDS pattern of point 1；（e）500h，SEM morphology and（f）EDS pattern of point 2

2.3 冲击性能

由图4可见，供货态HR3C钢具有较高的冲击吸收能量；在600℃时效时，随着时效时间延长，冲击吸收能量一直呈下降趋势，其中时效200h之前的冲击吸收能量下降稍快，之后下降速度有所降低，至500h时仍呈缓慢下降的趋势，此时的冲击吸收能量约为供货状态的35%，表现出了明显的时效脆化现象。

图4 HR3C钢在600℃时效不同时间后的冲击吸收能量Fig.4 Impact absorbed energy of HR3C steel after aging at 600 ℃ for different times

由图5可见，供货态HR3C钢的冲击断口扩展区主要为韧窝状，晶界处以撕裂棱为主，少量为沿晶解理断裂；时效100h后，冲击断口形貌主要为韧窝和准解理，说明试样在断裂过程中吸收的能量仍相对较高；随时效时间的延长，断口中韧窝的数量不断减少，并且沿晶断裂的数量增加；时效500h后，断口形貌主要为沿晶断裂，但是在晶内断裂面上仍有相当数量的小韧窝。

HR3C钢在600℃时效后的组织变化主要为析出相的变化，析出相主要为 M23C6和Nb（C，N），另外还应有少量CrNbN。根据它们的析出动力学曲线可知，在该时效温度范围内，Nb（C，N）和CrNbN析出缓慢，颗粒尺寸小而稳定，并主要在晶内弥散分布，对韧性的损害较小，因此引起韧性变化的主要因素是M23C6的数量、形态和分布。根据M23C6相的析出动力学曲线可知，在600℃时效的初期，M23C6相在晶界上和晶内析出，由于M23C6优先在晶界上析出并聚集，会引起晶界产生一定程度的脆化，使冲击吸收能量呈快速下降的趋势，但由于其析出量不是很大，且呈细小条状或颗粒状不连续分布，因此初始冲击吸收能量的下降幅度不是很大，反映到断口上表现为晶界上仍有明显的撕裂棱；随时效时间延长，晶界上析出相数量不断增多，而且尺寸也逐渐增大，晶界脆化加剧，冲击吸收能量进一步降低，断口形貌也不断向沿晶断裂特征转变，一定时间后因过饱和度减小析出速度降低，冲击吸收能量降幅缩小。由于600℃时原子的扩散系数相对较小，时效500h后M23C6相的析出仍未达到稳定状态，因此冲击吸收能量继续呈降低的趋势。

图5 不同状态HR3C钢的冲击断口SEM形貌Fig.5 Impact fracture SEM morphology of HR3C steel in different states：（a）as-received；（b）600℃×100hand（c）600 ℃×500h

3 结 论

（1）在600℃时效后，HR3C钢的组织仍为奥氏体基体和析出相；随着时效时间的延长，析出相数量增多，其中M23C6沿晶界析出，并不断聚集、长大成条块状，最终相互连接。

（2）在时效初期，由于M23C6沿晶析出并在晶界聚集，导致冲击吸收能量快速下降，断口形貌以韧窝为主；时效200h后，冲击吸收能量下降趋势减缓，断口中沿晶断裂数量增多；时效500h后的断口主要为沿晶断裂。

［1］杨富，章应霖，任永宁，等.新型耐热钢焊接［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［2］杨华春.高热强性和抗腐蚀性的新型锅炉钢管（HR3C）特性［J］.东方锅炉，2003（3）：26-40.

［3］刘华康.奥氏体不锈钢的应用—燃煤锅炉用 HR3C管材［J］.长城技术，1992（3）：125-128.

［4］殷尊，蔡辉，刘鸿国.新型耐热钢HR3C在超超临界机组高温服役25000h后的性能研究［J］.中国电机工程学报，2011，31（29）：103-108.

［5］沈琦，刘鸿国，唐丽英.超超临界机组新型不锈钢Super304H、HR3C运行5400h后的性能试验［J］.电力建设，2009，30（9）：62-66.

［6］肖纪美.不锈钢的金属学问题［M］.北京：冶金工业出版社，2006.

［7］GB/T 229-1994金属夏比缺口冲击试验方法［S］.

［8］李新梅，张忠文，杜宝帅，等.新型耐热HR3C/T92异种钢接头的显微组织和性能［J］.机械工程材料，2013，37（9）：33-35.