时效处理对奥氏体耐热钢显微组织和力学性能的影响

陈梦诗CHEN Meng-shi；王若虹WANG Ruo-hong；贠柯YUN Ke；鲁元LU Yuan

（西安特种设备检验检测院，西安 710065）

0 引言

节能减排是我国未来经济和社会可持续发展的重要战略方向之一，效率低下、污染严重的传统火电机组逐步面临被低能耗、低污染的超超临界发电机组所取代。性能优良的耐热钢是研发超超临界发电机组的关键技术之一。奥氏体耐热钢Super304H 是日本钢铁研发机构在奥氏体耐热钢TP304 的基础上，添加0.45%Nb、3%Cu 以及少量N 元素，制备的新型奥氏体耐热钢。超超临界发电机组运行过程中，显微组织析出的ε-富Cu、Cr23C6、Nb（C，N）和NbCrN 相产生强化作用，显著提高奥氏体耐热钢Super304H 高温服役性能[1,2]。目前针对奥氏体耐热钢的研究大多集中在高温时效及服役过程中碳化物析出相变化及显微组织对力学性能的影响。本论文对奥氏体耐热钢Super304H 进行不同时间的高温时效处理，对时效处理后的试样进行金相组织观察和物相分析，研究碳化物析出相的分布、形态和颗粒大小随时效过程的变化规律，并通过进行拉伸强度试验、冲击性能试验，研究时效过程对力学性能的影响。本论文的研究为苛刻服役条件下长周期运行的大容量电站锅炉的寿命预测和安全风险评价提供理论基础和数据支持，可以有效对大容量电站锅炉运行状态和安全状况给予科学判断，延长大容量电站锅炉安全运行时间和减少因奥氏体耐热钢高温蠕变-低周疲劳失效造成的机组停运损失，保障人民生命财产安全，具有显著的经济和社会效益。

1 试验过程

奥氏体不锈钢Super304H 钢管是由日本住友公司生产，供货状态为固溶处理，规格为Φ44.5mm×9mm。钢管表面质量良好，对奥氏体不锈钢钢管进行650℃时效处理，时效处理时间分别为100h、200h、300h、400h、500h。利用扫描电镜对金相组织进行分析，利用XRD 衍射分析相成分，利用万能试验机和冲击韧性试验机进行拉伸强度和冲击韧性实验。

2 结果与分析

图1（a）是不同时效处理时间的XRD 相成分分析图谱。不同时效处理时间的试样特征峰为γ-Fe，Cr23C6和NbC，因此，奥氏体耐热钢经过时效处理后相成分主要为γ-Fe，析出相主要为Cr23C6和NbC。随着时效处理过程的延续，析出相Cr23C6和NbC 的特征峰逐渐增强，析出相Cr23C6和NbC 的含量逐渐增加。Cr 元素容易与C 元素结合形成碳化物析出相Cr23C6，因为晶界处能量较高，并且富含Cr 元素，碳化物析出相Cr23C6优先在晶界处形成。奥氏体耐热钢Super304H 微量的N 元素，代替C 元素与Nb、N 结合形成氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N），上述析出相在晶内弥散析出，产生沉淀强化作用，有效改善了奥氏体耐热钢Super304H 的高温服役性能。以晶内析出的析出相NbCrN 和Nb（C，N）为核心，在晶内析出碳化物Cr23C6，减少了碳化物Cr23C6在晶界上析出，减少了晶界贫Cr 现象，提高了奥氏体耐热钢Super304H 耐晶间腐蚀的能力[3，4]。图1（b）、（c）、（d）是不同时效处理时间的金相组织。时效处理过程继续，基体组织仍为奥氏体组织，晶粒尺寸没有发生明显变化，碳化物析出相Cr23C6、氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N）数量逐渐增多。经过时效处理100h 后的试样金相组织，晶界上有少量析出相，以细小颗粒状为主，晶内析出相数量较少。经过时效处理300h 后的试样金相组织，晶界上和晶内的析出相数量逐渐增加，析出相尺寸没有明显增大，晶界上的析出相以细小颗粒状或条状断续分布。经过时效处理500h 后的试样金相组织，晶界上和晶内的析出相数量明显增加，晶界上的析出相以细小颗粒状或条状连续分布，晶内的析出相形成链状分布，少数析出相聚集长大，以粗大颗粒状或者条状独立分布。

图1 不同时效处理时间的相成分和金相组织

试样的抗拉强度和冲击韧性随时效时间变化见表1。高温时效处理后的试样抗拉强度从时效处理100h 到时效处理300h，抗拉强度逐渐增加，时效处理300h 达到最高值。随着时效处理过程的继续，抗拉强度缓慢下降。

表1 不同时效处理时间对力学性能的影响

时效处理过程中，显微组织变化对于抗拉强度有较大的影响，经过时效处理后，奥氏体晶粒尺寸没有明显变化，晶界和晶内析出大量的碳化物析出相Cr23C6、氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N）。碳化物析出相Cr23C6颗粒尺寸较大，时效过程的延续使析出相Cr23C6晶粒粗化，并发生聚集长大。氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N）颗粒尺寸较小，时效过程中晶粒尺寸比较稳定，不容易发生粗化和聚集。析出相的数量、尺寸和分布对于抗拉强度有较大的影响。因为碳化物析出相Cr23C6、氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N）的少量析出产生的沉淀强化作用，试样抗拉强度从时效处理100h 到时效处理300h 逐步增加，试样抗拉强度时效处理300h 达到最高值。试样抗拉强度从时效处理300h 到时效处理500h 缓慢减少，因为碳化物析出相Cr23C6颗粒的进一步粗化、聚集和长大，导致析出相间距增大，弥散强化效果减弱，导致试样抗拉强度缓慢减少[5，6]。

时效处理过程中，显微组织变化对于冲击韧性有较大的影响，试样显微组织的析出相数量越少、尺寸越小、分布越均匀，冲击韧性越高。时效处理100h 的奥氏体基体组织中碳化物析出相Cr23C6、氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N）数量最少，碳化物析出相Cr23C6的尺寸最小，没有发生粗化和聚集长大，析出相的沉淀强化作用最弱。因此，时效处理100h 试样的冲击韧性最大。从时效处理100h 到时效处理300h，试样的冲击韧性快速下降。时效处理300h 后，随着时效处理过程的继续，冲击韧性减少速度变缓。时效处理后，奥氏体晶粒尺寸没有明显变化，碳化物析出相Cr23C6的数量增加，析出相出现粗化、聚集和长大，因此，碳化物析出相Cr23C6的变化是导致时效处理后冲击韧性下降的主要原因。显微组织中的氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N）颗粒尺寸相对较小，并弥散分布在奥氏体晶粒内部，随着时效过程延续，析出相不出现粗化、聚集和长大。所以，氮化物析出相NbCrN和碳氮化物析出相Nb（C，N）对冲击韧性的影响可以忽略。随着晶界上碳化物析出相Cr23C6出现粗大、聚集和长大，晶界上易形成微小裂纹，碳化物析出相Cr23C6自身出现微小裂纹，或者碳化物析出相Cr23C6与奥氏体晶粒的界面出现微小裂纹，裂纹扩展后，在晶界、析出相内部和析出相与奥氏体晶粒的界面处形成孔洞，孔洞继续扩大后形成宏观裂纹，导致冲击韧性明显下降。从时效处理100h 到时效处理300h，碳化物析出相Cr23C6在晶界上大量析出，弱化晶界强度，晶界上和晶内已经析出的碳化物析出相Cr23C6不断粗化、聚集和长大，导致冲击韧性迅速下降。时效处理300h 后，碳化物析出相Cr23C6的形核速度降低，析出相数量增和长大的速度变慢，特别是晶界上的析出相数量逐渐稳定，晶内析出相的粗化、聚集和长大过程减缓，冲击韧性的下降速度明显减慢[7，8]。

图2（a）、（b）、（c）是不同时效处理时间的拉伸试样断口形貌。经过时效处理后的拉伸试样为韧性断裂+解离断裂，断口形貌为少量韧窝+沿晶脆性解离。随着时效处理时间的延长，碳化物析出相数量逐渐增加和不断聚集粗化，拉伸试样的断裂模式逐渐从韧性断裂转变为沿晶脆性解离，韧窝数量逐渐减少，断口形貌逐渐转变为较平坦的解理面。图3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）是不同时效处理时间的冲击试样断口形貌。经过不同时间时效处理后，奥氏体晶界上分布着M23C6碳化物，引起奥氏体晶界脆化，因此冲击试样的断口形貌沿晶界出现少量的细小二次裂纹，随着高温时效时间的延长，晶界上M23C6碳化物析出量不断增多，二次裂纹的数量逐渐增加，尺寸也逐渐增大，引起晶界进一步脆化。同时，由于晶内析出M23C6碳化物，随着晶内析出量增多，晶内的脆化程度也不断增大，断裂形式逐渐由韧窝断裂向准解理断裂转变，韧窝数量逐渐减少，整个断口显得平坦并呈现出脆性解离状态，断口形貌主要为少量韧窝+沿晶脆性解离。

图2 不同时效处理时间的拉伸试样断口形貌

图3 不同时效处理时间的冲击试样断口形貌

3 结论

650℃不同时间时效处理后，奥氏体耐热钢的显微组织仍为奥氏体组织，奥氏体晶粒无明显长大，晶内和晶界上形成碳化物析出相Cr23C6，在晶内形成氮化物析出相NbCrN 和碳氮化物析出相Nb（C，N）。析出相的弥散分布产生强化作用，使抗拉强度逐渐增加，时效处理300h 后达到最大值，随着时效时间的继续延长，碳化物析出相Cr23C6聚集和长大导致抗拉强度缓慢下降。时效处理过程中，碳化物析出相Cr23C6的聚集和长大导致冲击韧性下降。