T91鋼金相組織異常原因分析及建議

代小號，歐陽杰，徐雪霞，鄭相鋒，王 勇

(河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

1 概述

T91鋼是鍋爐受熱面管常用的馬氏體耐熱鋼，其在9Cr1Mo鋼的基礎上降低含碳量，嚴格限制硫、磷的質量分數，添加少量的釩、鈮元素進行合金化。ASTM213/A213M-85C標準中規定T91鋼的化學成分見表1。其正常組織為細小的板條狀，組織為回火馬氏體，見圖1。

表1 標準規定T91鋼的化學成分 %

元素CMnPSSiCr質量分數0.08～0.120.30～0.60≤0.02≤0.010.20～0.508.00～9.50元素MoVNbNNi質量分數0.85～1.050.18～0.250.06～0.100.03～0.07≤0.40

圖1 正常的T91組織

在對某電廠爆管取樣管檢驗過程中發現該批次的小管金相組織均是異常組織，不是正常的回火馬氏體，T91鋼的強化機理得不到正常的發揮，易造成爆管，以下列舉了本次檢驗發現的異常金相組織，并分析產生的原因，給出相關建議。

2 金相組織異常情況介紹

2.1 鐵素體代替馬氏體

在正火條件下，T91鋼鐵素體的等軸晶完全奧氏體化，快速冷卻后就能得到馬氏體組織，冷卻速度對奧氏體轉變起著重要作用，由于壁厚的原因冷卻速度對P91管道的影響更加顯著。T91小管由于壁薄不容易出現冷卻速度不正確造成的異常組織，但是該次檢驗在T91管道中發現了由于冷卻速度不正確造成的非正常組織，見圖2、圖3。

圖2 等軸狀鐵素體組織

圖3 等軸狀鐵素體老化組織

關于冷卻速度對于T91鋼馬氏體轉變的影響，相關研究表明[1]，在冷卻速度低于2 ℃/min時，金相組織全部為鐵素體，未出現正常的馬氏體組織，其鐵素體呈等軸狀分布，其中在圖3的晶界中出現了鏈狀碳化物。

2.2 馬氏體板塊中夾雜塊狀鐵素體

在冷卻速度稍快時(2～9 ℃/min)，組織為先共析鐵素體+馬氏體，其特征是在馬氏體板條中間夾雜著塊狀的鐵素體，塊狀鐵素體一般出現在P91大管道中，但是該次T91小管的檢驗中同樣發現了塊狀鐵素體，見圖4。

圖4 馬氏體與先共析鐵素體

2.3 晶粒內部存在粗大的馬氏體板條

晶粒內部存在粗大的馬氏體組織，見圖5。從圖5中可以看到原奧氏體晶界，奧氏體晶粒粗大，晶粒度2～3級，晶粒內部是粗大的馬氏體板條。

2.4 出現混晶組織

混晶組織一般在焊縫中容易見到，但是該次檢驗中T91小管出現了混晶組織，見圖6。相關研究表明產生這種組織是由于正火溫度過高或者保溫時間過長使奧氏晶粒不均勻長大造成的，可能是在制造廠將小管和大管同爐處理，造成小管保溫時間過長。

圖6 混晶組織

3 金相組織異常原因分析

該次檢驗的T91鋼的管件壁厚小，溫度控制比P91管厚壁管容易，但是檢驗中仍然發現以上異常組織，產生異常的原因主要是熱處理過程控制不當，T91管主要熱處理工藝為正火+高溫回火，1 040～1 080 ℃正火，保溫后空冷，然后進行750～780 ℃回火空冷。

3.1 正火溫度和保溫時間

正火的目的是得到完全的馬氏體組織，首先升溫完成奧氏體轉變，再由過冷奧氏體轉變為馬氏體。

正火溫度過高和保溫時間過長容易造成原奧氏體晶粒粗大，形成圖5所示的粗大的馬氏體組織。過高的正火溫度還可能會造成高溫鐵素體的形成，在金相圖中高溫鐵素體區位于奧氏體區的上方，當正火溫度過高，達到高溫鐵素體區時，在奧氏體晶界或晶內會析出高溫鐵素體，由于T91鋼中Cr的含量高，擴大了高溫鐵素體區，在隨后的馬氏體轉變過程中，部分高溫鐵素體就有可能保留下來，高溫鐵素體會降低T91鋼的力學性能，該次檢驗中并未發現高溫鐵素體組織，說明正火溫度未超限值。

過低的正火溫度(即正火不足時)，會導致組織的奧氏體轉變不完全，在后面的冷卻過程中不能得到完全的馬氏體組織，容易形成圖6所示的混晶組織。

在實際熱處理中，爐溫和件溫不符可能是造成正火溫度失控的原因，厚壁管和薄壁管同爐熱處理容易造成薄壁管保溫時間過長，從而產生晶粒粗大。

3.2 冷卻速度

文獻[2]測得的T91鋼的鋼連續冷動轉變(CCT)曲線如圖7所示，從圖中可以看到T91鋼在相當寬的冷卻速度范圍內均可以得到完全的馬氏體組織，但是冷卻速度低于9 ℃/min時就有先共析鐵素體產生，冷卻速度慢到一定程度時沒有馬氏體產生。在實際熱處理過程中，造成冷卻速度太慢的原因可能是管件厚壁管和薄壁管同時堆放冷卻，易使薄壁管冷卻速度不足。

圖7 T91鋼的CCT曲線

3.3 回火溫度

T91鋼的高溫回火目的是降低馬氏體轉變產生的內應力和提高碳化物的析出，從而提高T91鋼的高溫力學性能。回火溫度過低(一般認為低于750 ℃)達不到效果，回火溫度過高會對組織和性能產生不利的影響。當回火溫度過高，超過T91鋼的AC1線(810～830 ℃)時，部分馬氏體發生奧氏體轉變，在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉變為馬氏體，造成組織中存在未經回火的馬氏體，也可能產生混晶組織，大幅降低T91鋼的沖擊韌性。

4 結論及建議

檢驗結果表明，T91小管同樣會出現熱處理失控的情況，主要是正火溫度、冷卻速度、回火溫度等因素控制不得當，造成T91管產生異常組織，如出現等軸狀鐵素體、塊狀鐵素體、晶粒粗大、混晶組織多種非正常組織，對其性能造成不利影響，進而影響其使用壽命。因此建議制造廠嚴格控制熱處理過程，比如采取提高熱處理爐內溫度的均勻性和溫控精度、避免將規格相差太大的部件同爐熱處理、避免冷卻過程中管件堆放過密等措施。同時建議使用者在新管入廠時對同爐同批次的新管增加金相組織及力學性能抽檢，以減少或避免由于金相組織異常造成的爆管。

參考文獻：

[1] 寧保群，劉永長，喬志霞，等.T91鐵素體耐熱鋼過冷奧氏體轉變過程中臨界冷卻速度的研究[J].材料工程，2007(9)：9-13.

[2] 寧保群，嚴澤生，付繼成，等.冷卻速率對T91鋼相變過程及組織的影響[J].鋼鐵，2009，44(7)：9-13.