P92 钢管高温持久试验及组织演变研究

李 进，陈 桂，张剑楠

（1. 扬州诚德钢管有限公司，江苏 扬州 225215；2. 南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）

P92 钢是在P91 钢化学成分的基础上添加元素W，适当减少Mo 含量，另外添加微量的B，达到晶界强化和碳化物弥散强化的效果来增加其高温强度的［1-7］；因此，P92 钢具有比P91 钢更好的抗高温氧化性能和更优异的耐腐蚀性能。P92 钢的热膨胀系数小、热导率高，在火电厂高的启停速率下不会造成金属部件的热疲劳损坏，具有优良的断裂强度，主要用于蒸汽参数超过600 ℃/25 MPa 的超超临界火力发电机组的主蒸汽管道和再热蒸汽管道等。现主要采用高温持久试验来研究P92 钢管在服役温度625 ℃下的持久强度以及组织演变情况，以期保证产品的使用性能，并为在役产品的质量监督管理提供依据。

1 试验材料

试验材料为扬州诚德钢管有限公司采用锥形辊穿孔机斜轧生产的Φ610 mm×102 mm 规格P92 钢管，坯料是国内某钢厂生产的P92 锻坯。该钢管的热处理工艺为：1 060 ℃正火，保温时间120 min，空冷；770 ℃回火，保温时间360 min，空冷。P92 钢管试样的化学成分见表1。

表1 P92 钢管试样的化学成分（质量分数） %

2 高温持久试验

高温持久试验按照GB/T 2039—2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》中的方法，在RD2-3 高温持久试验机上进行。在P92 钢管1/2 壁厚处取Ф10 mm 高温持久试样，夹紧螺纹规格为M16，试验温度625 ℃。在不同加载应力下测得P92 钢管试样的断裂时间，结果见表2。根据试验数据进行分析和处理，得出P92 钢管在625 ℃的持久强度外推曲线，如图1 所示。

表2 P92 钢管在625 ℃时的持久试验结果

图1 625 ℃温度下P92 钢管的持久强度外推曲线

采用Origin8.1 软件对表2 数据和图1 所示曲线进行线性拟合，得到方程（1），可计算出P92 钢管在625 ℃时105h 下的持久强度σ 为103.8 MPa。

试验数据拟合参数见表3。曲线的线性相关系数为0.988 48，数据和拟合曲线的相关性拟合程度较好，结果可信。

由图1 可知，应力与断裂时间在双对数坐标轴中呈线性直线关系，两者成反比，即应力越大，断裂时间越短。用拟合方程外推P92 钢管在625 ℃、105h 时的持久强度为103.8 MPa，与ASME Code Case 2179-6 提供的最大许用应力值推算该材料在该温度下的持久强度87.4 MPa 相比，P92 钢管的高温持久性能更加优异。

表3 试验数据拟合参数

3 显微组织

3.1 光学显微组织

P92 钢经正火+回火后的组织是回火马氏体结构，马氏体板条内部位错密度高。沿拉伸断裂试样纵向剖开，在距离断口40 mm 处取试样，分析P92钢管的常温金相组织；在625 ℃/120 MPa/8 753 h高温持久断裂试样上取样，取样位置距离断口40 mm 处，分析P92 钢管的高温金相组织。试样经打磨、抛光后用5 mL 盐酸+1 g 苦味酸+100 mL 酒精配制成的溶液进行腐蚀。在光学显微镜下观察P92钢管常温下和625 ℃/120 MPa 持久状态下的显微组织，具体如图2 所示。由图2 可知，常温下的马氏体板条组织较细化，碳化物均匀弥散分布在板条内；高温持久断裂试样的显微组织形态仍保持板条状马氏体结构，但是由于长时间处于高温，马氏体板条发生回复，板条宽度变宽，同时碳化物颗粒粗化，往晶界偏聚，位错密度降低，原细化马氏体板条界模糊融合，只保留粗大的马氏体板条束和原始位相，板条内的碳化物呈链状分布较明显。

图2 P92 钢管显微组织

3.2 电镜显微组织

P92 钢在回火过程中会出现大量的碳化物析出相，主要是M23C6相和MX 相［8-14］。M23C6和MX 均为面心立方结构，作为沉淀强化相存在于P92 钢的回火马氏体基体中。M23C6相分子式一般为（Fe，Cr或Mo）23C6，面心立方结构较为复杂，其尺寸一般在100~600 nm［15］，主要在板条界和原奥氏体晶界上析出，能够有效阻止亚晶界在高温和应力加载过程中的回复移动，从而保证亚晶结构的稳定。MX相分子式为（V，Nb）（C 或N），尺寸更小，一般为20~80 nm［15］，主要在亚晶内位错处析出，弥散强度更佳，对位错滑移起到钉扎作用，使得P92 钢具有更好的稳定性。

P92 持久试样在625 ℃/120 MPa/8 753 h 断裂条件下，采用扫描电子显微镜的背散射电子图像方法，检测试样表面的相分布状况，如图3 所示。说明P92 钢在高温高应力持久过程中，产生了大尺寸的新相——Laves 相，Laves 相主要是P92 中含有的W 和Fe 结合生成的Fe2W，比P91 钢生成的Fe2Mo 更能阻止位错滑移，同时延缓马氏体回复的效果更强［16］。图3 所示白亮色颗粒即为Laves 相，灰暗色颗粒为M23C6相。Laves 相和M23C6一样，都主要沿原奥氏体晶界、马氏体板条界析出长大，在马氏体板条内也有少量分布。

图3 P92 钢管在625 ℃/120 MPa/8 753 h 的背散射分析结果

为进一步研究Laves 相在高温高应力下的演变情况，选取在625 ℃/100 MPa/11 188 h 持久试验条件下的P92 钢管试样进行透射电镜分析，分析图像如图4 所示，随着高温持久时间的加长，Laves相生长速率较快，达到1 μm 左右，是MX 相直径100 倍以上。为研究P92 钢管在625 ℃/120 MPa 持久状态下Laves 相引起的孔洞出现和生长过程，采用扫描电镜观察238 h 和8 753 h 持久时间下的析出相形貌，扫描电镜结果如图5 所示，图5（a）所示视场内开始出现了大量的孔洞，但是孔洞尺寸较小，约0.1 μm；图5（b）中的孔洞数量较少，但尺寸明显变大，达到1 μm，这说明随时间的加长，孔洞逐渐融合。Laves 相对高温持久断裂强度的影响较复杂，首先，Laves 相在高温中逐渐析出长大，在形成初期对提高断裂强度是有益的；然而随着时间的延长，Laves 相达到临界尺寸后，Laves 相由于是金属间化合物，表现为脆性，此处容易产生应力集中，在马氏体板条周围和基体之间会形成孔洞，使得强度降低。

图4 P92 钢管在625 ℃/100 MPa/11 188 h 的透射电镜结果

图5 P92 钢管在625 ℃/120 MPa 状态下的扫描电镜结果

为了确定该Laves 相的具体成分类型，对625℃/120 MPa/8 753 h 持久断裂样品的相成分进行分析，具体分析结果见表4，图6 所示为相应的相成分能谱分析结果，由于该第二相位于孔洞的边缘，光栅确定的电子束区域包含基体较少；因此，所得到的成分主要为该第二相的成分，分析表4 中的成分，基本可以确定该第二相为Laves 相的Fe2W 结构，同时Cr、Mo 元素作为固溶元素，与典型的Fe2W 实际成分相比，Fe 偏高，W 偏低，形成典型的复合型为A2B型（A 为Fe，B 为W、Mo）的金属间化合物。说明出现Laves 相需经过长时间的高温和高应力，通常以消耗钢材基体以及周围的M23C6、MX 相中的Cr 和Mo 以助其长大，从而降低了基体组织中合金元素固溶强化和M23C6、MX 相的沉淀强化的作用，Laves 相孔洞的融合加快了高温强度退化的速度。

表4 Laves 相成分分析结果%

图6 Laves 相成分能谱分析结果

4 结 语

（1） 根据P92 钢管625 ℃持久强度试验结果，外推得出其在625 ℃、105h 下的持久强度为103.8 MPa，比ASME Code Case 2179-6 提供的参考持久强度要高出许多，证明其持久性能优异。

（2） P92 钢管在常温下的组织为回火马氏体结构，在625 ℃/120 MPa/8 753 h 持久断裂状态下虽然仍保持板条状马氏体结构，但是由于长时间处于高温环境，马氏体板条发生回复粗化，马氏体板条宽度变宽，位错密度降低，晶界碳化物增多。

（3） P92 钢在625 ℃/120 MPa/238 h 持久状态下已开始出现了大量的微小孔洞，孔洞尺寸约为0.1 μm；625 ℃/120 MPa/8 753 h 持久断裂状态下，孔洞逐渐融合长大，同时数量变少，孔洞长大到临界尺寸1 μm 后，孔洞周边的Laves 相消耗钢材基体强化元素Cr 和Mo，导致基体中的M23C6、MX 相的沉淀强化作用降低。

（4） Laves 相为P92 钢在高温高应力状态下析出的第二相，典型结构为A2B 型（A 为Fe，B 为W、Mo）的金属间化合物。Laves 相在P92 钢中是富Cr和Mo 的有害相。