S30432鋼在高溫應(yīng)力作用下的微觀組織

程世長, 王敬忠,2, 劉正東, 譚舒平, 包漢生, 王 斌,4

(1.鋼鐵研究總院,北京 100081;2.西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院,西安 710055;3.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150046;4.昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,昆明 650093)

近年來,S30432鋼廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外超超臨界火電機組鍋爐的過熱器管和再熱器管.國內(nèi)外學(xué)者對S30432鋼進行了大量的研究[1-6],筆者對S30432鋼在650℃下的持久試樣進行了微觀組織分析,目的是通過分析該鋼在高溫應(yīng)力作用下的組織變化,探討鋼的強化機理和失效原因.

1 試樣和分析方法

試樣取自鋼廠供貨態(tài)(固溶態(tài))鋼管,制成持久試樣,進行650℃持久試驗,分析樣均取自持久試樣斷口及附近,采用掃描電子顯微鏡(SEM)(Hitach S-4300)、透射電子顯微鏡(Hitach H-800)和掃描透射電子顯微鏡(FEI TecniaG2 F2.0)對試樣的微觀組織進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 晶內(nèi)存在變形帶

圖1 650℃-230 MPa-439 h持久試樣斷口附近的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photos near to fracture of specimen after creep-rupture test at 650℃/230 MPa/439 h

圖2 650℃-180MPa-1 917 h持久試樣斷口附近的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos near to fracture of specimen after creep-rupture test at 650℃/180M Pa/1 917 h

圖1和圖2分別是650℃-230MPa-439 h持久試樣和650℃-180 M Pa-1 917 h持久試樣斷口附近的SEM 照片.由圖1和圖2可以看出:晶內(nèi)存在變形帶,且各個晶粒內(nèi)的變形帶方向各不相同,但由于應(yīng)力松弛,有些晶粒內(nèi)幾乎不存在變形帶,如圖1(a)、圖1(b)和圖2(b)中箭頭所指.M 23 C6碳化物同時沿著晶界和變形帶分布(圖1和圖2),這可能是由于在650℃高溫下,230 MPa的應(yīng)力高于S30432鋼的屈服強度(約150～200 MPa),材料發(fā)生流變,從而形成晶內(nèi)變形帶,M23C6沿變形帶分布說明其有阻礙變形的作用.

2.2 MX相與位錯的相互作用

圖3為有序排列的M X相.由圖3可以看出,MX相沿位錯線分布,表明在650℃高溫和應(yīng)力作用下,MX相與位錯和位錯墻相互作用,阻礙了鋼在高溫下的微觀變形,從而起到強化作用.圖4表明,這種富Nb的MX相與位錯有明顯的相互作用,起強化作用.

圖3 有序排列的MX相(TEM)Fig.3 MX phase in ordered arrangement(TEM)

圖4 650℃-140 MPa-10 392 h持久試樣中的MX相、位錯、位錯墻及能譜(STEM)Fig.4 Interaction among MX phase,dislocation and dislocation w all after creep-rupture test at 650℃/140 MPa/10 392 h(STEM)

2.3 650℃應(yīng)力作用下的亞結(jié)構(gòu)

圖5表明,在650℃持久試樣中存在亞結(jié)構(gòu),通常認(rèn)為是由高密度的位錯墻組成的,在亞結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和界面(也稱亞晶界)上不僅密布著位錯和位錯墻,還存在著MX相、M23 C6相和富 Cu相.另外,在相同溫度下,較大應(yīng)力作用下的亞結(jié)構(gòu)尺寸明顯大于較小應(yīng)力作用下的亞結(jié)構(gòu)尺寸(圖5(a)和(d)).

2.4 晶內(nèi)孿晶

圖6(a)表明,在650℃持久試樣中存在大量孿晶,孿晶一般發(fā)展到晶界而停止,也有一些發(fā)展到M23C6碳化物而停止(圖6(c)).在孿晶上及其周邊存在大量位錯和MX相(圖6(d),孿晶的周邊還存在M 23 C6相,孿晶、晶界與位錯之間存在相互作用(圖6(b)),從而使鋼得到強化.

圖5 650℃持久試樣中的亞結(jié)構(gòu)(TEM)Fig.5 Substructure in the specimen after creep-rupture test at 650℃(TEM)

圖6 650℃-160 MPa-4 387 h持久試樣斷口附近晶內(nèi)孿晶(TEM)Fig.6 Twins in grain near to fracture of specimen after creep-rupture test at 650℃/160 MPa/4 387 h(TEM)

2.5 富Cu相與位錯的相互作用

由圖7和圖8可以看出,在650℃應(yīng)力作用下鋼中存在大量的富Cu相,富Cu相周圍存在位錯,且基本上沿著位錯線分布,表明在高溫和應(yīng)力場中富Cu相與位錯相互作用,可阻礙鋼的微觀變形,使鋼得到強化.

2.6 高溫持久試樣和時效態(tài)試樣中的M23 C6相

圖9為650℃-1 000 h時效態(tài)晶界析出物的分析結(jié)果.通過標(biāo)定可知,晶界析出物為M 23 C6相,其尺寸約為400 nm,三叉晶界處M 23 C6相的尺寸大于其他位置處M 23 C6相的尺寸.圖10表明,在持久試樣斷口附近晶粒內(nèi)部存在大量彌散分布的M23C6相,其尺寸約為300～600 nm.

圖7 650℃-2 000 h時效態(tài)S30432鋼中的富Cu相(TEM)Fig.7 Cu-rich phase in super 304H after 2 000 h aging at 650℃

圖8 持久試樣中富Cu相與位錯的相互作用(STEM)Fig.8 Interaction between Cu-rich phase and dislocation in creep-rupture specimen(STEM)

圖9 650℃-1 000 h時效態(tài)晶界析出的M 23C6相(TEM)Fig.9 Precipitation of M 23C6 phase at grain boundary after 1 000 h aging at 650℃(TEM)

圖10 650℃-190 MPa-1 118 h持久試樣斷口附近晶內(nèi)彌散分布的M 23C6相(SEM)Fig.10 Dispersive distribution of fine M 23C6 phase near to fracture after creep-rupture test at 650℃/190MPa/1 118 h(SEM)

3 討 論

MX相是面心立方結(jié)構(gòu),其點陣常數(shù)a0=0.441～0.442 nm,在S30432鋼中其尺寸約為 50～120 nm,屬納米級顆粒.S30432鋼在650℃、2 000 h時效態(tài)的相結(jié)構(gòu)式為(Nb0.925 Cr0.074)(C0.475 N0.526),通常認(rèn)為是Nb(C,N).650℃、2 000 h時效態(tài)MX相的析出量占總析出量的18%,MX相的顆粒數(shù)量是M23 C6碳化物相數(shù)量的幾倍甚至幾十倍,且MX相之間的間距遠(yuǎn)小于M 23 C6相之間的間距,MX相彌散分布在晶內(nèi)、晶界、亞結(jié)構(gòu)和孿晶中,它與位錯和位錯墻相互作用(圖3和圖4),阻礙了鋼的微觀變形,使鋼得到強化,且其強化效果遠(yuǎn)好于M23C6相,是鋼中關(guān)鍵的強化相.

M 23 C6相是復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu),其點陣常數(shù)a0=1.055～1.056 nm,尺寸約為0.3～ 0.8 μm,呈粒狀和條狀,主要分布在晶界上(圖1、圖2和圖9).少數(shù)大尺寸M 23 C6相處于三叉晶界處,容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,對鋼的強度不利(圖9).晶內(nèi)變形帶上分布的M 23 C6相對鋼的變形起阻礙作用.

富Cu相是面心立方結(jié)構(gòu),其點陣常數(shù)a0=0.360 5 nm,尺寸約為3～50 nm,屬納米級顆粒.由于設(shè)備條件所限,未能分析出富Cu相的組分,富Cu相的數(shù)量很大(圖7和圖8),而且與基體共格,起強化基體的作用.

關(guān)于亞結(jié)構(gòu)(圖5)和孿晶(圖6),從本文研究中可知它們與位錯相互作用,對鋼的強化有貢獻,其強化效果有待進一步深入研究.

4 結(jié) 論

(1)在高溫大應(yīng)力條件下,鋼中晶內(nèi)形成變形帶,沿變形帶分布的M23 C6相對變形起阻礙作用.

(2)在高溫大應(yīng)力條件下,MX相和富Cu相與位錯交互作用,可阻礙鋼的微觀變形,從而提高鋼的強度.

(3)在高溫大應(yīng)力條件下,晶內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)和孿晶,并與位錯相互作用,使鋼得到強化.

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