預變形量對SUPER304H鋼管性能的影響

楊華春，楊小川，楊金炳，于明明，賴仙紅

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，自貢 643001）

0 引 言

SUPER304H鋼是由日本住友金屬株式會社在ASME SA-213TP304H鋼的基礎上，通過降低錳含量上限，加入約3%（質量分數，下同）的銅、約0.45%的鈮和一定量的氮而開發出的，目的是使其在服役時產生微細彌散、沉淀于奧氏體內的富銅相，并與基體緊密結合，該富銅相能與NbC、NbN、NbCrN、M23C6一起產生極佳的強化作用。該鋼具有較好的抗腐蝕性和抗氧化性，目前已得到ASME code case 2328-1批準，并納入了 ASME SA-213M-2010標準，其UNS（金屬和合金的統一編號系統）代號為S30432。十余年來，該鋼在國內外燃煤電站得到了廣泛應用，常作為蒸汽溫度為600℃左右的超（超）臨界鍋爐過熱器和再熱器管用材。

為給該鋼的應用提供相關基礎技術數據，國內外對其進行了大量研究，特別是其在高溫應用下的各種重要性能，如高溫抗氧化性和抗腐蝕性［1－2］、時效穩定性［3－6］等。然而，這些研究多是基于未預變形鋼進行的，有關其經歷一定預變形后的試驗研究較少，或者即便有預變形但時效時間也很短［7－8］。

實際上，在制造鍋爐過熱器和再熱器管束時，鋼管的部分區域需經受不同程度的彎曲變形，而這些彎管在爐內使用時與直管段承受的工況相同，即長期在高溫、承壓下運行。直管段為固溶狀態，而彎管段則在固溶的基礎上經歷了一定變形。高溫承壓運行對彎管性能的影響如何，彎管段的固溶處理工藝等都是值得研究的問題。雖然 ASME code case 2328-1中對SUPER304H鋼管彎曲后的固溶處理推薦參照TP347H鋼管，即彎管預變形量大于15%（對應相對彎曲半徑不大于3.3倍管徑）時需重新固溶；但由于過多重新固溶處理將會對鍋爐的制造工藝、制造周期及成本等造成重大影響，因而有必要對其變形后的高溫性能進行相應的研究，為完善制造工藝提供指導。

鑒于管子彎曲后，彎管段無法切取試樣，所以作者通過拉伸對直鋼管進行預變形，用以模擬彎管，之后對其在700℃進行時效處理，并結合微觀形貌分析來研究預變形量對鋼管性能的影響，以期為今后的規范編制、工藝完善提供技術依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為日本住友生產的φ45mm×8.1mm的SUPER304H鋼管，狀態為固溶處理態，化學成分見表1。對其分別進行0，15%，20%的拉伸預變形，然后取一部分在700℃進行時效處理，時間分別為100，1 000，5 000h。拉伸后的鋼管記為變形鋼管，時效處理后的鋼管記為時效鋼管。

按ASMESA-370標準要求制備硬度試樣，用

表1 試驗用SUPER304H鋼管的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of tested SUPER304Htube（mass） %

HW187.5型布洛維硬度計測管段截面上的洛氏硬度；分 別 按 ASME SA-370、ASTME 8 制 備φ6.25mm的室溫拉伸和短時高溫拉伸試樣，并采用AG-250KNE型電子拉伸試驗機依據 ASME SA－370、ASTME21進行室溫力學性能測試以及700℃短時高溫拉伸試驗；按GB/T 2039－1997《金屬高溫蠕變及持久強度試驗方法》制備φ5.0mm的持久試樣，并采用RC-1130型持久試驗機對變形鋼管進行驗證性持久試驗，試驗溫度為700℃，應力水平為110MPa，并與住友原始數據進行對比；采用JSM-6700F型場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微組織，腐蝕液為三氯化鐵鹽酸溶液（由5g FeCl3、50mL HCl、100mL H2O 組成）；用線切割切取厚度約0.5mm的薄片，經1000＃水砂紙磨至100μm，最終用雙噴電解減薄制備透射電鏡（TEM）用試樣，電解液為10%（體積分數）高氯酸乙醇溶液，電壓50V，溫度－10℃，采用JEM-3010型高分辨透射電子顯微鏡（TEM）進行顯微分析。

2 試驗結果與討論

2.1 對力學性能的影響

從表2可看出，預變形量對變形鋼管的斷面收縮率基本無影響；另外，隨著預變形量從0增加到15%，變形鋼管的室溫屈服強度、抗拉強度、硬度均大幅提高，而且屈服強度的提高更為明顯，斷后伸長率雖然下降較多，但仍維持在較高水平；當預變形量從15%進一步增加到20%時，屈服強度、抗拉強度、硬度仍繼續增大，斷后伸長率繼續下降（仍有一定塑性），但這種變化趨勢已大大趨緩。高溫短時拉伸試驗結果的變化趨勢與此類似。這是因為SUPER304H鋼管為奧氏體型耐熱鋼，其原始組織為奧氏體，塑性非常高。變形后，在奧氏體晶粒內出現了大量位錯、孿晶，從而出現了形變強化效果［9］，故經15%變形后的鋼管較未變形鋼管的強度出現了較大提升；但當預變形量進一步增加到20%時，因為位錯、孿晶的密度已無法進一步大幅提高，因此20%的預變形量并不能進一步大幅強化鋼管，這可從圖1所示的兩種預變形量下的TEM形貌沒有明顯區別得到證實，故其強度與硬度、斷后伸長率的變化趨勢減緩。

表3的結果表明，與預變形量為0的時效鋼管相比，變形量為15%和20%的時效鋼管的硬度雖然增加較多（對應的強度也提高不少），但硬度與時效時間的關聯度卻不大。從鋼管的硬度變化來看，硬度的高低主要與是其否變形有關，即時效時間的延長并未明顯改變其硬度，這可能與5 000h的時效處理對變形鋼管未起到十分明顯的回復作用、以及第二相在晶內彌散析出有關。另外，并未觀察到文獻［8］中提到的蠕變試驗中先發生強化后發生軟化的現象，這很可能與本試驗所用時效時間較長（文獻［8］中的時效時間很短）有關，因為在不同時間段內第二相析出物的尺寸、形態有差異，從而導致對性能的影響不同。

表2 不同預變形量SUPER304H鋼管的力學性能Tab.2 Mechanical properties of different pre-deformed SUPER304Htubes

圖1 不同預變形量鋼管的TEM形貌Fig.1 TEMmorphology of different pre-deformed tubes with 15% （a）and 20%（b）pre-deformation

表3 不同預變形量鋼管時效不同時間后的力學性能Tab.3 Mechanical properties of different pre-deformated tubes after aging for different time

對比表2與表3的短時高溫性能可以發現，5 000h的時效使未變形鋼管的短時高溫抗拉強度和塑性下降，但未使屈服強度明顯降低；5 000h的時效使變形鋼管的屈服強度和抗拉強度同時下降，而且塑性有所上升（但并不明顯）。之所以出現上述現象，與鋼管時效前的原始組織（固溶后的組織為過飽和奧氏體、變形后的組織不穩定，在一定條件下不穩定的組織會不斷地形成一些新相）以及高溫下引發的原子擴散導致組織發生細微變化有關。對于未變形的鋼管，其原始組織為少量的未溶第二相以及等軸奧氏體，在高溫長時時效過程中，不斷有第二相在奧氏體晶界和晶粒內析出、聚集、長大［3－4］，且有明顯沿晶界析出的粗大網狀第二相，如圖2（a）所示，造成固溶強化和時效強化效應有所弱化，故而出現短時高溫抗拉強度和塑性下降的現象。而未變形鋼管的屈服強度原本就十分低，組織的這種變化對屈服強度的影響不明顯。而對于變形并經時效處理的鋼管而言，變形之后形成的大量能量較高的晶體缺陷可作為第二相的析出核心，在高溫時效的原子擴散作用下促進了第二相的早期快速彌散形核析出，但經5 000h時效后，由于能量較高、第二相聚集長大，這自然會引發屈服強度與抗拉強度同時下降；變形后鋼管的塑性較低，時效處理后的回復并不明顯，故仍保持有明顯的塑性變形跡象，如圖2（b～c）所示。

綜上可知，該鋼管具有較好的變形能力，且經過一定程度變形及時效后仍具有一定的塑性。

2.2 對持久性能的影響

圖2 不同預變形量鋼管時效5 000h后的SEM形貌Fig.2 SEMmorphology of different deformed tubes after aging for 5 000h

圖3 不同預變形量鋼管的700℃持久性能驗證結果Fig.3 Creep rupture proof test results of different pre-deformation tube at 700 ℃

從圖3可以看出，變形鋼管的持久性能驗證性試驗數據略低于住友公司持久數據的回歸線，但處于住友試驗數據的下分散帶之上，這說明試驗所選擇的預變形量對鋼管的持久性能有一定影響，但比較有限。這可從圖4的SEM形貌得到佐證，在110MPa應力下，未變形、預變形量為15%，20%鋼管的斷裂形貌相似，均為沿奧氏體晶界以塊狀或條狀析出的第二相，以及在奧氏體晶粒內部析出的細小第二相，特別是晶界上第二相尺寸的差異也不是十分明顯，晶界處形成孔洞。這表明無論鋼管是否經歷了變形，其在持久試驗的蠕變過程中，微觀演化規律基本相同。

另外，由圖5（a）可以看出，即便是20%預變形量、110MPa應力下持久斷裂的試樣，其晶內的富銅相粒子也十分細小，其尺寸為10～40nm，與經15%及20%預變形量、時效5 000h試樣的晶內粒子尺寸相近，如圖5（b～c）所示。這表明晶內細小第二相的穩定性相當高，這種細小粒子對鋼管的強度很有益處［1］。

圖4 不同預變形量鋼管在110MPa應力下持久斷口附近的SEM形貌Fig.4 SEMmorphology near creep ruptured fracuture of different pre-deformed tubes at strain of 110MPa

圖5 持久試樣和時效試樣晶內第二相的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of second phases in grains of different samples：（a）pre-deformation of 20%，creep rupture sample，fracture after 6 913h；（b）pre-deformation of 20%，aging for 5 000hand（c）pre-deformation of 15%，aging for 5 000h

3 結 論

（1）隨預變形量的增加，變形SUPER304H鋼管的強度、硬度均提高，塑性下降較多，但仍有一定塑性。

（2）時效后SUPER304H鋼管硬度的變化主要與預變形量有關，而與時效時間無關；時效會降低變形鋼管的短時高溫拉伸強度。

（3）試驗條件下的預變形量對SUPER304H鋼管的高溫持久性能有一定影響，但有限。

［1］SAWARAGI Y，OGAWA K，KATO S，et al.Development of the economical 18-8stainless steel（SUPER304H）having high elevated temperature strength for fossil fired boilers［J］.The Sumitomo Search，1992，48：50-58.

［2］SAWARAGI Y，OTSUKA N，SENBA H，et al.Properties of a new 18-8austenitic steel tube（SUPER304H）for fossil fired boilers after service exposure with high elevated temperature strength［J］.The Sumitomo Search，1994，56：34-43.

［3］YANG Hua-chun，PENG Fang-fang，MIAO Xiao-ling，et al.Investigation of the aging behaviors on boiler steel tube Super304H［J］.Journal of Pressure Equipment and Systems，2006，4（1/2）：96-99.

［4］李新梅，鄒勇，張忠文，等.時效溫度對Super304H鋼析出相的影響［J］.材料熱處理學報，2009（6）：51-57.

［5］于鴻垚，遲成宇，董建新，等.650 ℃長期時效過程中 Super304H耐熱不銹鋼組織的演變［J］.北京科技大學學報，2010，32（7）：877-882.

［6］李新梅，鄒勇，張忠文，等.新型耐熱鋼Super304H高溫時效后的組織與性能［J］.材料工程，2009（5）：38-42.

［7］杜婷，盧正欣，李麗敏，等.預變形對SUPER304H不銹鋼時效析出行為的影響［J］.金屬材料研究，2011，37（4）：1-8.

［8］杜婷，盧正欣，王世清，等.蠕變對預變形SUPER304H奧氏體不銹鋼沉淀析出行為的影響［J］.西安理工大學學報，2009，25（3）：356-359.

［9］孫茂才.金屬力學性能［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003：54-59.