晶粒形態對HR3C耐熱不銹鋼時效脆性的影響

宋愛玲，曹鐵山, 2，程從前，趙 杰

(大連理工大學1.材料科學與工程學院；2.工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024)

0 引 言

目前我國的發電方式仍以火力發電為主，超超臨界(USC)機組由于具有較高的發電效率而成為火力發電的主力[1-3]。在USC機組服役過程中，材料的性能退化及其對安全性的影響受到越來越多的關注。

HR3C(25Cr20NiNbN)耐熱鋼是一種高鉻、鎳含量的新型奧氏體不銹鋼，因為具有高的蠕變斷裂強度和優良的抗蒸汽及煙氣氧化性能，而廣泛應用于蒸汽溫度為600 ℃ USC機組的鍋爐過熱器和再熱器部件[3-4]。HR3C鋼含有較多合金元素，合金化程度高，在服役過程中會出現較為復雜的相析出行為[5-8]，同時由于析出相的影響，該鋼會出現塑韌性降低的現象，表現出時效脆化傾向[9]。目前，對于HR3C鋼在服役過程中韌性下降、脆性增加的機理主要存在兩種觀點：一種觀點認為，時效或服役過程中M23C6沿晶界的連續析出是HR3C鋼韌性下降的主要原因[9-11]；另一種觀點認為，除了晶界析出相M23C6外，長期時效后晶界處σ脆性相的析出也是材料韌性下降的原因[12-13]。碳化物及其他脆性相的沿晶界連續析出和粗化降低了晶界結合力，提高了沿晶脆化的傾向，因此尋求改變晶界析出相的連續分布狀態以降低脆性傾向十分必要。

潘平偉等[14]對TP310HCbN(即HR3C)冷軋不銹鋼管的研究表明，升高固溶溫度會增大晶粒平均尺寸，使得硬度和力學性能降低，斷裂方式由準解理斷裂向韌性斷裂轉變。曹鐵山等[15]研究了晶粒尺寸(17，40 μm)對HR3C鋼高溫蠕變性能的影響，發現晶粒尺寸較小的HR3C鋼在長期時效后的應力指數和蠕變表觀激活能均較低。這說明晶粒尺寸能夠影響材料的拉伸和蠕變性能。然而，關于晶粒尺寸對于HR3C鋼時效脆性的影響還未見系統的研究報道。因此作者制備了3種具有不同晶粒形態(粗大晶粒、細小晶粒和伸長晶粒)的HR3C鋼，其晶粒尺寸分布各不相同，研究了晶粒形態對HR3C鋼時效脆性及斷裂模式的影響，以期為緩解HR3C鋼時效脆性問題提供一定的參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為熱軋態HR3C鋼。采用X射線熒光分析儀、紅外碳硫分析儀、氧氮氫分析儀等測定其化學成分。由表1可見，試驗鋼的化學成分滿足ASME SA-213/SA-213M標準要求。

表1 試驗鋼的化學成分

對熱軋態HR3C鋼進行熱鍛變形(變形量為50%)，形成具有伸長晶粒的組織，然后將熱鍛態HR3C鋼進行不同的熱處理以獲得不同的晶粒形態：先在1 230 ℃下固溶處理2 h，以獲得較大的均勻分布的晶粒，該試樣記為CG試樣；在1 143 ℃下固溶處理2 h，以獲得相對細小的晶粒，該試樣記為FG試樣；在1 093 ℃下熱處理20 min，一方面消除熱鍛時產生的內應力，另一方面保留熱鍛時形成的伸長晶粒，該試樣記為OG試樣。將CG試樣和FG試樣在700 ℃時效500，1 000 h，將OG試樣在700 ℃時效500，1 000，2 000 h。

在時效后的試驗鋼上取樣，用180#～2000#砂紙依次打磨，機械拋光，并在5 g FeCl3+2 mL HCl+100 mL乙醇(體積分數為95%)溶液中腐蝕10～60 s后，采用萊卡DM IL LED型光學顯微鏡觀察顯微組織，并通過Image J與Nano Measure軟件統計晶粒尺寸。在Zeiss Supra55(VP)型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察微觀形貌，用附帶的能譜儀(EDS)分析微區成分。采用HV-50型維氏硬度計測定維氏硬度，載荷為9.8 N，保載時間為15 s，各測5點取平均值。按照GB/T 229—2007加工出尺寸為10 mm×5 mm×55 mm的V型缺口夏比沖擊試樣(其中OG試樣長度方向平行于晶粒伸長方向)，在JBDW-300C型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，采用SEM觀察沖擊斷口微觀形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 晶粒形貌與尺寸

由圖1可以看出：FG試樣的顯微組織為均勻的奧氏體，晶粒尺寸細小；CG試樣的顯微組織同樣為均勻奧氏體，但晶粒尺寸明顯較大；OG試樣中晶粒尺寸大小不均勻，大尺寸伸長晶粒與細小晶粒共存。由圖1還可以看出：與700 ℃時效500 h后的試樣相比，700 ℃時效1 000 h后的試樣析出相數量有所增加，黑色析出相沿晶界析出，且晶粒尺寸越細小的試樣中析出量越多。經前期研究成果[16]確認該析出相為σ相。

圖1 3種試樣在700 ℃時效500 h和時效1 000 h后的顯微組織

通常，在再結晶溫度以下進行時效后，金屬材料的晶粒尺寸基本不變，而固溶態試樣因晶界處無明顯第二相析出而腐蝕困難，不利于晶粒尺寸的統計，因此采用時效態HR3C鋼進行晶粒尺寸統計分析。由圖2可知，在700 ℃時效500 h后，FG試樣的晶粒尺寸主要集中在20～30 μm，CG試樣的晶粒尺寸主要集中在100～120 μm。統計得到FG試樣和CG試樣的平均晶粒尺寸分別約為33，103 μm。

圖2 700 ℃時效500 h后FG試樣和CG試樣的晶粒尺寸分布

2.2 微觀形貌及微區成分

由圖3可以看出，時效1 000 h后，3種試樣的晶界均存在析出相，晶粒細小的FG試樣晶界析出相呈鏈狀分布，晶粒粗大的CG試樣晶界析出相呈連續狀分布，晶粒伸長的OG試樣晶界析出相分布的連續性介于上述兩者之間。由表2結合文獻[17-18]分析可以確定，3種試樣的晶界析出相均主要為M23C6碳化物。在相同時效時間下，FG試樣晶粒更細小，晶界數量更多，總長度更長，平均單位長度晶界上的M23C6析出相減少，因此碳化物在晶界呈鏈狀分布；CG試樣的晶粒較粗大，平均單位長度晶界上的M23C6析出相增加，因此碳化物在晶界連續分布；而OG試樣晶粒大小不均勻，大尺寸伸長晶粒和細小晶粒同時存在，晶界總長度介于FG試樣和CG試樣之間，因此碳化物在晶界分布連續性也介于兩者之間。

表2 3種試樣晶界析出相(位置見圖3)的主要化學成分

圖3 在700 ℃時效1 000 h后3種試樣的SEM形貌

2.3 維氏硬度

由圖4可以看出：相同時效條件下，OG試樣的硬度最高(固溶溫度1 093 ℃)，其次為FG試樣(固溶溫度1 143 ℃)，CG試樣(固溶溫度1 230 ℃)的硬度最低，這種硬度隨固溶溫度升高而降低的現象與固溶處理對HR3C鋼中熱鍛組織的均勻化處理效果有關；時效后3種試樣的硬度均比未時效試樣有所提高，但隨著時效時間的延長，硬度變化不明顯。OG試樣的固溶溫度相對較低且時間較短，沒有發生再結晶行為，依然保留較多的位錯結構以及第二相等熱變形組織特征，其強化作用使OG試樣的硬度最高，而時效過程中第二相的大量析出導致硬度進一步增加。FG和CG試樣均經過高溫固溶處理，發生了再結晶行為，組織發生回復軟化使得兩者的硬度均明顯低于OG試樣。另外，FG試樣由于細晶強化作用，其硬度高于CG試樣。

圖4 3種試樣的維氏硬度隨時效時間的變化曲線

2.4 沖擊韌性

由圖5可以看出：在相同時效條件下，OG試樣的沖擊韌度均高于FG試樣和CG試樣；固溶態CG試樣的沖擊韌度大于相同狀態FG試樣，時效后則相反。在較高固溶溫度下，CG試樣進行了更充分的固溶，固溶強化作用較強，沖擊韌度較高。時效處理后，CG試樣晶粒尺寸較大，單位晶界上析出相較多，晶粒間的結合力明顯下降，脆性提高，沖擊韌度明顯下降，低于FG試樣。

圖5 3種試樣的室溫沖擊韌度隨時效時間的變化曲線

由圖6可知：700 ℃時效500 h后，FG試樣的沖擊斷口上存在明顯的沿晶開裂特征，同時存在大量撕裂痕跡，該試樣發生了脆性和韌性混合斷裂；CG試樣的沖擊斷口呈典型的冰糖狀斷口形貌，說明該試樣發生了沿晶脆性斷裂；固溶態OG試樣的沖擊斷口表面由大量韌窩組成，呈典型的韌性斷裂特征；700 ℃時效2 000 h后，OG試樣沖擊斷口中存在較多穿晶斷裂的平面以及沿晶斷裂特征，部分位置存在韌窩，呈韌性斷裂。OG試樣、FG試樣和CG試樣沖擊斷裂的脆性程度依次提高，因此，在相同時效態下沖擊韌性依次降低。

圖6 3種試樣在不同狀態下的沖擊斷口形貌

通常，在晶界處分布的M23C6析出相被認為是HR3C鋼發生沿晶脆斷的重要原因之一，這主要是由于M23C6碳化物的晶格常數是奧氏體的3倍，沿晶界大量析出的M23C6碳化物增加了兩晶粒間的原子空位密度，降低了晶粒與晶粒之間的結合能，使得鋼材更易發生脆性斷裂。OG試樣中沿軋制方向拉長的晶粒使得材料性能呈各向異性，沖擊斷裂時，裂紋不容易繞過伸長晶粒發生沿晶擴展，而是優先穿過晶粒進行擴展，因此OG試樣的沖擊韌性最高。時效處理后，OG試樣中仍保留大量伸長晶粒，沖擊斷口依然存在較多穿晶開裂特征，沖擊性能較好。FG試樣的晶粒細小，時效后，FG試樣中M23C6析出相沿晶界呈鏈狀分布，保留了一定的晶界強度，因此在沖擊斷口上存在較多的撕裂痕跡，而CG試樣由于晶界M23C6碳化物的連續分布明顯降低了晶界的強度，沖擊韌性相對較差。

3 結 論

(1) 相同時效時間下，具有粗大晶粒的HR3C鋼硬度最低(固溶溫度1 230 ℃)，具有細小晶粒的HR3C鋼(固溶溫度1 143 ℃)硬度較高，而具有伸長晶粒的HR3C鋼(固溶溫度1 093 ℃)的硬度最高，這種硬度隨著固溶溫度升高而降低的現象與固溶處理對HR3C鋼中熱鍛組織的均勻化處理效果有關。

(2) 在相同時效條件下，具有伸長晶粒的HR3C鋼沖擊韌度最高；具有粗大晶粒的固溶態HR3C鋼的沖擊韌度高于具有細小晶粒的HR3C鋼；粗大晶粒試驗鋼由于長期時效后晶界析出相呈連續分布，沿晶脆斷的傾向增大，而細小晶粒試驗鋼的晶界M23C6析出相呈不連續的鏈狀分布，沖擊韌性更好；具有伸長晶粒的HR3C鋼晶界M23C6碳化物的連續性介于具有粗大晶粒試驗鋼和具有細小晶粒試驗鋼之間，其伸長的晶粒形態使其獲得了更優的沖擊韌性，在沖擊過程中發生韌性斷裂。