論晶粒度對P92鋼室溫強度和持久強度的影響研究

李 鵬，徐曉慧

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001）

P92鋼因其優良的綜合性能，因此經常被用在高溫高壓的環境之中，例如超臨界蒸汽鍋爐以及相關的管道之中。在使用過程中，很難進行損壞。在當前使用之中，其功能主要是保證自身的強度以及持久性能上，判定材料的使用壽命可以通過P92鋼的持久強度，我國某企業制造P92鋼技術已經較為成熟，但對其耐力強度試驗研究較少，P92鋼的性能指標遠不及德國生產的P92鋼。所以，開展中德P92鋼抗拉強度試驗對比研究，探討中德P92鋼的強度、顯微組織和晶粒度之間的關系，可為提高國內P92鋼的抗拉強度有足夠的參考。

1 實驗材料和方法

將國內北方重工與德國某企業產出的同種型號鋼進行對比研究，產品型號為P92鋼，產品規格分別為1060MM×準896mm×5200mm（外徑）×內徑×長度）至最近的950mm×標準外徑（635mm）×內直徑）。兩種P92鋼的組成成分存在明顯的差異，其中鎳、鈮、鎢元素差異化顯著，而其他金屬元素含量沒有明顯的差異。通過試驗研究發現，中國與德國的P92鋼中鎳元素含量占比為0.31%和0.16%；鈮元素含量的占比為0.07%和0.05%；鎢元素含量的占比分別為1.85%和1.57%。國產的P92鋼中鎢含量占比較大會導致鋼析出Laves相，導致鉬元素、鎢元素的遷移現象凸顯，P92鋼中的部分溶液原子被稀釋。鈮元素和鎢元素主要來自于碳化物，這兩種元素直接影響奧氏體化速度，細化奧氏體晶粒；鈮是構成奧氏體的主要元素，其主要作用是增加鋼的韌性。北方重工的P92鋼生產主要使用淬火加回火工藝。在進行生產過程中溫度不能低于1060℃，完成熱處理之后需進行兩個小時的保溫，回火溫度不低于760℃，進行兩個小時保溫后完成空冷，而德國P92鋼先細化晶粒，再進行淬火+回火熱處理。熱處理工藝與國內熱處理相同。

本次實驗主要對服役狀態和熱處理后的試樣進行研磨、拋光和腐蝕后，用gx-51金相顯微鏡觀察顯微組織和晶粒尺寸。對使用中和熱處理后的中國和德國P92鋼進行了室溫拉伸和斷裂試驗。具體試驗標準如下：R4（準10）標準拉伸試樣按GB/t228.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：常溫試驗方法制備，常溫拉伸試驗為用WE-30萬能材料試驗機進行；根據GB/t2039-1997金屬拉伸蠕變和斷裂試驗方法，制備準10高溫斷裂標準試樣，用ctm504-a機械蠕變斷裂試驗機進行斷裂強度試驗。

2 實驗結果分析

2.1 組織觀察與分析

中德P92鋼在役及熱處理后的顯微組織，從最終結果分析可以看出，國產和德國P92鋼在服役狀態和熱處理狀態下的組織為回火屈氏體。因為P92鋼含有較多的合金元素，淬火+回火熱處理中的合金元素越多，抗回火能力越強，所以回火過程不能完全進行，沒有進行α恢復再結晶，最后回火得到屈氏體。通過對晶粒度的測量和分析，得出國產P92鋼的晶粒度為7.0級90%、4.0級10%，而德國P92鋼的晶粒度為1.0級，晶粒特別粗。中德P92鋼經過相同工藝熱處理后，晶粒度達到相同的8.0級，晶粒細小且非常均勻。

2.2 常溫力學性能指標分析

通過對我國和德國使用的P92鋼的橫向常溫力學性能進行分析。可見國產P92鋼的屈服強度為495MPa，常溫抗拉強度為695MPa；德國P92鋼室溫屈服強度為535MPa，抗拉強度為710MPa。其中，相當于國產P92鋼。德國P92鋼的屈服強度提高了40MPa，抗拉強度提高了15MPa。根據顯微組織和形貌分析，中國和德國P92鋼的顯微組織為回火屈氏體，而國內使用的P92鋼存在混晶、晶粒不均勻。在拉伸變形過程中，大小晶粒的晶界處會出現應力集中，引起裂紋萌生，降低材料的強度。中德兩國生產的P92鋼熱處理后的橫向常溫力學性能基本相同，因此可以得出中德P92鋼熱處理后的強度基本相似。經過相同的熱處理工藝，中德P92鋼的顯微組織相同，晶粒度基本相同，因此強度和塑性指標非常接近。熱處理后，國產P92鋼晶粒度由7.0級的90%和4級的10%變為全8.0級。德國P92鋼的晶粒度由1.0級變為8.0級。當晶粒在外力作用下發生塑性變形時，應力可以分散成更多的晶粒，基本消除了大、小晶界處的應力集中，晶界面積增大而變得曲折，阻礙了裂紋的擴展。因此，熱處理后屈服強度由495MPa變為638MPa，并有明顯的強化。

2.3 持久性實驗結果分析

中德P92鋼在服役狀態和熱處理后600℃耐久強度試驗結果如下所示：首先是在使用狀態下的斷裂時間，以每小時為單位，其中在應力分別為215Mpa的時候，國產的斷裂時間為18小時，德國的斷裂時間為46小時。在實驗應力為190Mpa的情況下，國產的斷裂時間為179小時，德國的斷裂時間為498小時。在175Mpa的情況下，國產的斷裂時間為678小時，德國的斷裂時間為1910小時，在155Mpa的情況下，國產的斷裂時間為3767小時，德國的斷裂時間為12302小時，在140Mpa的情況下，國產的斷裂時間為11216小時，德國的斷裂時間為18835小時，綜合起來，國產的斷裂時間總共為15858小時，德國的斷裂時間為33591小時。

而在熱處理狀態下的斷裂時間為，以小時為單位，其中在其中在應力分別為215Mpa的時候國產的斷裂時間為143小時，德國的斷裂時間為276小時。在實驗應力為190Mpa的情況下，國產的斷裂時間為1549小時，德國的斷裂時間為3034小時。在175Mpa的情況下，國產的斷裂時間為3794小時，德國的斷裂時間為5628小時，在155Mpa的情況下，國產的斷裂時間為10031小時，德國的斷裂時間為13768小時，在140Mpa的情況下，國產的斷裂時間為21705小時，德國的斷裂時間為20617小時，綜合起來，國產的斷裂時間總共為37222小時，德國的斷裂時間為43323小時。

以實驗應力r為橫坐標，蠕變斷裂時間LGT為縱坐標，整體呈現一個下降的趨勢，通過對上述的數據進行分析，可以得出當低應力為140MPa時，蠕變斷裂時間P92鋼在國內熱處理狀態最長，為21705H。隨著實驗應力的增加，中德P92鋼在不同狀態下的蠕變斷裂時間明顯縮短。熱處理后國產和德國P92鋼的蠕變斷裂時間顯著增加，說明晶粒細化有利于提高P92鋼的蠕變斷裂極限。同時，由于國產P92鋼在服役中由于晶粒尺寸不均勻和部分混合晶粒，蠕變斷裂時間很短。當實驗應力為215mpa時，斷裂時間僅為18h。用最小二乘法對上述實驗數據進行線性回歸的式子計算，可以得出國產和德國P92鋼在服役狀態和600℃熱處理后耐久強度的外推方程為：國產（服役狀態）：LGσ=2.4231214-0.0661729lgt德國（使用中）：LGσ=2.4528327-0.0670626lgt國 內（熱 處 理）：LGσ=2.5289382-0.08422773lgt4.00.08422773lgt4.073lgt4.592lg2據此計算，可以得出中德P92鋼在服役狀態和熱處理狀態600℃下100000小時耐久強度為：國產（服役狀態）：ru100000/600=123.67mpa，德國（服役）狀態）：ru100000/600=131.07mpa，國內（熱處理狀態）：ru100000/600=128.17mpa，德國（熱處理狀態）：ru100000/600=128.49mpa。P92鋼在上述四種條件下的600℃耐久強度均高于GB5310-2008高壓鍋爐用無縫鋼管推薦值119mpa。滿足工礦要求。中德P92鋼在不同條件下的室溫、高溫斷裂強度與晶粒度的關系見表5。可見，經過過熱處理后，國產P92鋼的室溫抗拉強度（RM）增加93mpa，斷裂強度（ru100000/600）增加4.5MPa。過熱處理后，德國產P92鋼的抗拉強度（RM）提高了59MPa，而斷裂強度（ru100000/600）降低了2.6MPa。

德國的P92鋼在淬火溫度為600℃環境下，鋼的性能要優于國產的P92鋼。探究其根本原因是國產P92鋼中合金元素的晶粒尺寸差異大，導致鋼的高溫性能有所降低。因鋼大小晶粒集中在某一區域，所以鋼的耐拉伸力減弱，鋼表面出現斷裂。國產P92鋼的實際晶粒度在正常工藝中存在混合晶粒。熱處理后消除混雜晶粒，提高室溫強度和耐久性。德國P92鋼的晶粒經過過熱處理后得到細化，室溫強度提高，但斷裂強度降低。蠕變斷裂有兩種基本條件：一是穿晶斷裂；另一種是晶間斷裂。穿晶斷裂通常發生在較低的溫度和較高的應力下；晶間斷裂是高溫蠕變斷裂中最常見的現象，大部分發生在高實驗溫度和低應力下。隨著連續蠕變，晶界滑動和晶界擴散充分，促進了空洞和裂紋沿晶界的形成和發展，最終導致材料斷裂。德國正常工藝生產的P92鋼晶粒度等級（粗晶）最小，抗拉強度最高ru100000/600，充分驗證了上述理論，證明600℃的實驗溫度高于等強度溫度。研究和試驗結果也支持asmesa-335/sa-335m無縫鐵素體合金鋼高溫公稱管晶粒度無技術要求的合理性。

3 實驗結果分析

通過本次的實驗，可以得出以下的幾個結論，首先是國產P92鋼通過二次熱處理之后，消除了混晶的現象，對于整體的性能來說，有著較大的提升，其中表現較為突出的就是在室溫的強度下，本身的持久性能有了顯著的提升，這就表明了在實際的使用中，自身的強度得到了一定的提升，可以在一些需要持久的相關設備上進行使用，有較好的效果。

其次就是在使用的狀態下，德國產出P92剛才粗晶粒鋼材的本身持久強度相對來說比較高，在使用的額時候，比國產的細晶粒的強度要相對高一些，在使用同狀態的時候，持久強度會強7.4Mpa左右，對于使用來說，性能相對強一些，所以需要結合實際的情況，對鋼材進行選擇。

最后就是在經過熱處理之后，德國產的P92鋼材，本身的使用態雖然有了一定的提升恒，但是持久強度會發生一定的變化，一般來說會導致持久強度出現降低的情況，所以在實際的使用之中，需要結合當前的使用強度，選擇合適的鋼材，這樣才可以保證剛才不會出現斷裂的情況。

4 結語

綜上所述，經過本次的實驗進行分析，對當前的德國產的剛才本身的強度相對于國產的較高，其中晶粒度對于強度的影響效果也十分明顯，所以在實際的使用之中，需要顧及晶粒度的變化情況，針對不同的情況選擇不同的晶粒度，只有這樣才可以實現對于鋼材的使用，達到預期的效果。