马氏体耐热钢中-铁素体的研究

马氏体耐热钢中-铁素体的研究

新型9%12%的铬马氏体钢是先进发电装置中应用最多的材料。它已广泛应用于许多设备的锅炉和机器上，如锅炉管道、连通性、管道、蒸汽、叶片和驱动装置[1.2]。为了保证火电机组在长期服役过程中的安全,除对材料低周疲劳性能、蠕变强度和应力腐蚀敏感性等有严格要求外,对冲击韧性也有明确规定。为了获得良好的综合性能,在9%~12%Cr钢中添加的合金元素较多,使得奥氏体化温度区间变宽,奥氏体单相区减小,铁素体转变温度降低,导致在大型铸锻件的生产过程中极易生成δ-铁素体[3~6]。而通常认为δ-铁素体是降低合金的强韧性的主要原因。因此在进行冶炼过程中,应尽量避免δ-铁素体的生成。Tchizhik等指出钢的断裂韧性与δ-铁素体的体积分数成反比,并且提出钢中δ-铁素体体积分数不宜超过3%。但是Anderko等则认为,只有当其超过1%时才会具有较大的影响,否则几乎不产生影响,甚至可以略微提高冲击韧性。以上研究工作仅限于实验室用小型钢锭,而针对工业生产大型锻件马氏体耐热钢中δ-铁素体的表征及其对冲击性能影响的研究还未见报道。本研究利用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析技术对工业生产大型锻件马氏体耐热钢中的δ-铁素体进行表征,得出针对一种特定成分下马氏体耐热钢中δ-铁素体的含量。利用冲击试验机、维氏硬度计、扫描电镜和能谱分析技术研究δ-铁素体对冲击性能的影响,为工业生产的工艺控制与改进提供理论依据。1金相组织分析(1)从经氧化法电炉冶炼,锻造,粗加工成型及性能热处理后的锻件上,在接近水口端和冒口端部位分别套取尺寸为覫18mm×160mm的料棒,检验其水口端和冒口端主要化学成分(见表1);(2)依据试验标准GB/T229-2007分别将两个位置的各1根试棒加工成10mm×10mm×55mm的2个冲击试样,采用CBD-500型冲击试验机对其冲击性能进行检测。利用Tukon2100B维氏硬度计对试样硬度进行检测;(3)将4个冲击试样平行于断口10mm×10mm的截面进行金相组织分析,侵蚀剂为苦盐酒,侵蚀时间约30s。采用200MAT金相显微镜图像分析仪采集每个试样所有含δ-铁素体的视场,用称重法对δ-铁素体进行定量分析;(4)采用Quata400环境扫描电镜及Genesis能谱仪对冲断后的试样进行金相组织分析、观察断口,分析δ-铁素体与冲击功之间的关系。2试验结果与讨论2.1冒口端试验和1-2试验结果分析结果表明,冒口端的冲击值1-1和1-2均高于水口端2-1和2-2,并且冒口端同一根料棒的试样1-1和1-2的冲击功也有明显差异(见表2)。2.2马氏体体晶界的半定量分析检验结果表明该马氏体耐热钢的显微组织主要为回火板条马氏体,并且沿三叉晶界或沿晶析出有块状、链状或长条状δ-铁素体。在金相显微镜下δ-铁素体与马氏体之间的边界清晰,经长时间回火后大多数δ-铁素体上有深色质点析出(见图1(a)),极少部分呈白亮状态(见图1(b))。在扫描电镜下进一步观察发现,原先在金相显微镜下观察到的白亮δ-铁素体在电镜下呈深色(见图2(a)),而深色δ-铁素体颜色较浅(见图2(c)),同时可以清晰的分辨出原奥氏体晶界和δ-铁素体内部存在的晶界(见图2(e))。为了对比分析马氏体基体、白色δ-铁素体、深色δ-铁素体和δ-铁素体晶界在成分上的差别,利用能谱(EDS)对其进行半定量分析(见图2(b、d、f)、表3)。可以看出:(1)与马氏体基体相比,δ-铁素体中W、Mo、Cr和V含量明显增加,Mn元素含量有所降低;(2)W、Mo、Cr和V的含量在δ-铁素体晶界处最高;(3)金相显微镜下深色δ-铁素体比亮色δ-铁素体中总的W、Mo、Cr和V含量要多,可以推断深色的δ-铁素体是在回火过程中由固溶于铁素体内的元素过饱和析出造成的。针对不同试样组织中出现的δ-铁素体,在平行于断口10mm×10mm的截面上,采集所有含δ-铁素体100倍的视场(每个视场实际尺寸为1.3mm×1mm),用称重法(精度到10-4)对其视场数量和δ-铁素体在所采集视场中的含量进行定量分析(见表4)。可见接近水口的试样比接近冒口的试样中含δ-铁素体的视场及含量都要大得多。由材料信息协会二元相图软件计算的Fe-Cr二元相图(见图3)可以看出,铁素体的形成与Cr含量有关,Cr含量越高,铁素体的析出温度越低,当Cr高于一定值或奥氏体化温度超过某一临界点时,已不能形成单一的奥氏体,在冷却过程中也不能发生完全的马氏体相变。在工业生产的大型锻件马氏体耐热钢中,Mo、W、V、Si、Nb和Cr一样都是铁素体形成元素。通常用铁素体当量因子Cr当量(Creq)来评估δ-铁素体出现的可能性,通过不同方法分别计算冒口和水口区域的Creq(或Creq和Nieq)(见表5)可以看出,不论采用哪种计算方法,接近水口的Creq均要高于冒口的Creq;而在Creq水平相当的情况下,冒口的Nieq均高于水口的Nieq。2.3缺陷具有-铁素体作用利用扫描电镜观察冲击断口后发现,试样2-1(冲击功8J)的纤维断面率很低,纤维断口高度仅130μm(见图4(a)中A位置),沿裂纹走向找到的启裂源呈明显的长条蜂窝状(见图4(a)中B位置);将B部分放大观察(见图4b),发现启裂源形貌与周围差异明显,与金相试样在电镜下观察到的δ-铁素体形貌相近,其能谱成分(Wt.%)为:W4.67,Mo2.25,Cr11.94,V0.37,Mn0.10,Fe80.67,也在表3中所列δ-铁素体的成分范围内,由此可以判断2-1试样裂纹快速扩展是由于长条δ-铁素体造成的。观察试样1-1的断口形貌(冲击功69J),其纤维断口高度为1.27mm(见图5a)。纤维断面率与2-1相比有明显的增加,未发现长条δ-铁素体存在。由前述可知δ-铁素体及其晶界是一种富W、Mo、Cr和V且贫Mn相,所以δ-铁素体周边的马氏体会形成一个相对贫W、Mo且富Mn的基体。其中,元素Mn将会使此处的高温回火脆性倾向增大,同时固溶于马氏体的W、Mo等元素的减少使高温回火脆性倾向减弱的趋势也降低了,材料脆性加大。此外,δ-铁素体本身硬度值低于马氏体基体,强韧性较差,又由于材料基体的连续性被其破坏,当裂纹扩展至δ-铁素体边缘处时,裂纹就会迅速扩展,如试样2-1。反之如果没有碰到大的块状、链状或长条的δ-铁素体,裂纹扩展会相对缓慢,冲击功也会增大,如试样1-1。观察其它冲击功低的试样在冲击断口的裂纹源处都发现有δ-铁素体。本研究证明,在所有含铁素体的视场当中,当铁素体含量少于0.4%,且不呈大的块状、链状或长条状出现时,才能得到比较理想的冲击韧性。因此应当严格控制δ-铁素体的出现。2.4综合力学性能对照Schaeffler-Schneider在研究不锈钢焊缝区组织时发现的δ-铁素体的含量与Creq和Nieq的比较关系,本文试样成分均出现在δ-铁素体含量0~5%的范围内(见图6中的点1和点2)。根据Tchizhik认为α=Creq/Nieq在1.65~1.75之间,C+N在0.15~0.23时可以获得良好的综合力学性能。计算水口端和冒口端α=Creq/Nieq分别为1.83和1.98,超出了α值的上限;而C+N分别为0.15和0.14,处于下限。因此,在实际生产过程中我们可以在技术规范规定的范围内,通过适当控制Creq和Nieq,将铁素体形成元素W、Mo、Cr和V等按最低限控制,而将奥氏体形成元素Ni、Mn、C和N按最高限控制来抑制δ-铁素体的析出,获得完全马氏体组织,使锻件具有良好的综合力学性能。3冲击试样-铁素体的表征通过对工业生产大型锻件马氏体耐热钢中的δ-铁素体含量以及δ-铁素体对冲击性能的