加熱溫度對護環用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N微觀組織演變和斷口斷裂機制影響的研究

王輝亭，任濤林，文道維，候世璞，劉 毅，高秀玲，李文君，霍 巖，戚彩夢

?

加熱溫度對護環用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N微觀組織演變和斷口斷裂機制影響的研究

王輝亭，任濤林，文道維，候世璞，劉 毅，高秀玲，李文君，霍 巖，戚彩夢

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

本文利用金相顯微鏡和高分辨掃描電子顯微鏡研究了護環用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N在不同加熱溫度下的微觀組織和拉伸斷口形式的演變規律，為護環的熱裝配工藝提供了可靠的理論和試驗根據。

奧氏體不銹鋼；微觀組織；斷裂機制

0 前言

護環是汽輪發電機上的大型關鍵受力部件，目的是防止電機轉子兩端的線圈在高速旋轉過程中受到離心力的作用向外飛出，通常是通過感應圈或火焰加熱直接熱裝配在轉子上。目前，護環用材料為無磁性奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N[1~3]。在加熱過程中，由于加熱溫度和保溫時間的處理不當，會造成護環鋼組織和性能的變化。本文系統地研究護環用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N在不同溫度下的微觀組織、斷裂機制的變化規律，為護環的安全運行提供可靠的理論和實驗依據。

1 試驗材料與方法

試樣用材料取自德陽萬鑫電站產品開發有限公司生產護環的切向部位，利用紅外碳硫儀（型號CS800）、等離子光譜儀（ICAP6300）和直讀光譜儀（型號 Metal 75-80）測得各主要元素的含量，見表1。

分別將試樣隨爐（型號 SGH28-92A 箱式電阻爐）加熱到300℃、400℃、500℃和550℃，并保溫1h和2 h，空冷。金相試樣需要經過200目砂紙粗磨、400目砂紙粗磨和600目砂紙細磨，再使用顆粒尺度為1~2.5μm的金剛石噴霧劑進行機械拋光，用王水腐蝕得到，最后在金相顯微鏡（型號OLYMPUS-PMG3）觀察。高分辨掃描電鏡（型號HITACHI S-300N）的樣品制備同金相樣品制備方法相近，采用背散射電子顯微組織觀察。斷口形貌由高分辨掃描電鏡（型號HITACHI S-300N）觀察。拉伸試驗是在萬能電子拉伸機上進行（型號SHIMADZU AG-I），根據標準的要求拉伸時的溫度為100℃。

表1 各主要元素含量

2 試驗結果及分析

如圖1所示為從護環上直接切取試樣的原始金相照片。從圖1可以看出，晶粒的尺度大約為100μm，由于護環經歷了大量的冷變形，因此晶粒內存在一些孿晶。圖2~4分別為1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼加熱到300℃、400℃和500℃分別保溫1h和2h空冷后的金相組織。圖5為1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼加熱到550℃，分別保溫0.5h、1h、1.5h、2h、4h和8h空冷后的金相組織；圖6加熱到550℃保溫1.5h空冷的SEM圖。從圖2~4可以看出，在300℃、400℃和500℃下加熱，隨著加熱時間的延長，晶粒的尺度大約為80~100μm，晶粒度大約為3~4級之間，晶粒的尺度沒有發生明顯的變化，但是晶粒內的滑移線逐漸地減少，這說明隨著保溫時間的延長，晶粒內部的位錯在減少，晶粒可能出現了一定程度的回復，晶間沒有碳化物的析出。從圖4可以看出，隨著保溫時間的延長，滑移線在逐漸地減少；但是晶粒間的析出物逐漸增多，析出物形態呈顆粒狀，沿晶界以鏈條狀連續分布，即第二相的析出過程為先以顆粒的狀態在晶界析出，隨著溫度的升高和保溫時間的延長，第二相析出物的量會逐漸增大并以鏈條狀的形態沿著晶界析出。通過對試樣加熱到550℃保溫1.5h后進行高分辨掃描和特定區域的能譜分析可知（如表2所示），在高分辨掃描電鏡下，基體與晶界的襯度不同，晶界處呈亮白色，說明晶界的成分與基體不同，通過對晶界的能譜分析可以發現，晶界處的C的含量比原始的試樣成分高，說明在晶界處析出含碳的化合物。

表2 晶間析出物的成分分析

圖1 護環鋼1Mn18Cr8N的原始晶粒

（a） 保溫1h

（b） 保溫2h

圖2 加熱到300℃分別保溫1h和2h

（a） 保溫1h

（b） 保溫2h

圖3 加熱到400℃分別保溫1h和2h

如圖7~10所示分別為300℃、400℃、500℃和550℃保溫1h和2h后在100℃進行試驗的拉伸試樣宏觀和微觀斷口。

（a） 保溫1h

（b） 保溫2h

圖4 加熱到500℃分別保溫1h和2h

從圖7可以看出試樣經過300℃保溫1h和2h在100℃進行拉伸后，試樣宏觀斷口凸凹不平，斷口的周圍較為平齊，平齊斷口與主應力方向成30°~45°，內部存在一些微空洞，說明斷裂是由微孔洞的聚集長大引起的，斷裂機制屬于韌窩+微小空洞。

（a） 保溫0.5h

（b） 保溫1h

（c） 保溫1.5h

（d） 保溫2h

（e） 保溫4h

（f） 保溫8h

圖5 加熱到550℃分別保溫0.5h、1h、1.5h、2h、4h和8h

圖6 加熱到550℃保溫1.5h的SEM圖

從圖8可以看出試樣經過400℃保溫1h和2h在100℃進行拉伸后，試樣斷口凸凹不平，內部存在大量的微空洞，說明斷裂是由微孔洞的聚集長大引起的，斷裂機制屬于韌窩+微小空洞。

（a） 300℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（b） 300℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

（c） 300℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（d） 400℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

圖7 300℃保溫1h和2h后在100℃進行試驗的拉伸試樣斷口

從圖9可以看出，試樣經過500℃保溫1h和2h在100℃進行拉伸后，宏觀斷口的周圍部分較平齊，與主應力方向夾角只有大約5°，從微觀斷口圖片可以看出，斷口形貌由大量的舌狀花紋組成，這說明斷裂機制為解理斷裂。

（a） 400℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（b） 400℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

（c） 400℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（d） 400℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

圖8 400℃保溫1h和2h后在100℃進行試驗的拉伸試樣斷口

從圖10可以看出，試樣經過550℃保溫1h和2h在100℃進行拉伸后，宏觀斷口由大量的舌狀花紋或河流狀花樣組成，從微觀照片可以看出在舌狀花紋之間存在微小裂紋，這說明斷裂機制為由解理斷裂轉化為沿晶脆性斷裂。由以上的分析可知，隨著溫度的升高和保溫時間的延長，斷裂形式由韌性斷裂逐步轉化為解理斷裂，最后轉化為沿晶脆性斷裂。

（a） 500℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（b） 500℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

（c） 500℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（d） 500℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

圖9 500℃保溫1h和2h后在100℃進行試驗的拉伸試樣斷口

（a） 550℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（b） 550℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

（c） 550℃保溫1h后的拉伸宏觀斷口

（d） 550℃保溫2h后的拉伸微觀斷口

圖10 550℃保溫1h和2h后在100℃進行試驗的拉伸試樣斷口

3 結論

（1）護環鋼用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N在300℃、400℃和500℃加熱時，隨著溫度的升高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒內部的滑移線逐漸減少，晶粒的尺度沒有發生明顯的變化；

（2）護環鋼用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N在550℃以上加熱會造成晶界處的碳化物以顆粒狀析出；隨著保溫時間的延長，碳化物析出數量增加，斷口形式會轉變為沿晶脆性斷裂，因此在護環的熱裝配過程中應該避免在此溫度以上加熱。

[1] 趙俊民. 1Mn18Cr18N鋼無磁性護環鍛件的試制[J]. 大型鑄鍛件, 2010, 1: 27-29.

[2] 郭銀芳.Mn18Cr18N護環鋼多火次熱變形微觀組織演變的研究[D]. 太原科技大學碩士論文, 2009: 33, 34.

[3] 何文武.大型發電機護環制造關鍵技術[M].北京:國防工業出版社, 2012: 1-4.

The Influence of Temperature on Microstructural Evolution and Fracture Mechanism of Austenitic Stainless Steel 1Mn18Cr18N Used in Retaining Ring

WANG Huiting, REN Taolin, WEN Daowei, HOU Shipu, LIU Yi, GAO Xiuling, LI Wenjun, HUO Yan, QI Caimeng

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The microstructuralevolution and fracture characteristics of austenitic stainless steel used in retaining ring after heat treatment were investigated by OM and SEM, which provides the theoretic and experimental bases for the heat assembly.

austenitic stainless steel; microstructure; fracture mechanism

TM303

A

1000-3983(2014)04-0013-05

2013-11-17

國家“863”課題（2012AA03A502）先進超超臨界火電機組關鍵葉片和護環鋼開發。

王輝亭（1974-），1997年畢業于南昌航空工業學院金屬材料及熱處理專業，2007年畢業于哈爾濱工業大學材料工程專業獲工程碩士學位，長期從事水輪機、水輪發電機和汽輪發電機材料的研發和應用工作，高級工程師。

審稿人：過 潔