马氏体钢中δ-铁素体的表征及影响.pdf

CFHI 2011 年 第 2 期 总 140 期 yz js CFHI TECHNOLOGY 摘要 利用冲击试验机 维氏硬度计 金相显微镜 扫描电镜和能谱分析技术研究工业生产大型锻件马氏体耐热 钢中的 啄 铁素体含量以及 啄 铁素体对冲击性能的影响 研究表明 啄 铁素体是一种富 W Mo Cr 和 V 且贫 Mn 相 接近水口端比冒口端含量高 它的存在是造成马氏体耐热钢冲击韧性低的主要原因 可通过控制铁素体形成 元素到最低限和奥氏体形成元素到最高限 抑制 啄 铁素体的析出 获得完全马氏体组织及良好的综合力学性能 关键词 马氏体耐热钢 啄 铁素体 Creq 冲击性能 中图分类号 TG115文献标识码 B文章编号 1673 3355 2011 02 0010 05 Characteristics of 啄 Ferrite and Its Effect on Impact Property in Martensitic Heat Resistant Steel Zhao Meilan Abstract Although such steel normally have a fully martensitic microstructure they are susceptible to the formation of 啄 ferrite 啄 ferrite and its effect on impact property in large scale martensitic heat resistant steel were researched via impact test Vickers hardness test optical microscope SEM and EDS The results indicated that 啄 ferrite was W Mo Cr and V enriched but poor Mn phase and there was more 啄 ferrite in water slot than that in feeder head Its existence led to extremely low impact toughness A fully martensitic microstructure and excellent general mechanical property could be achieved through controlling the austenitic formation elements to lower limit and ferrite formation elements to upper limit Key words martensitic heat resistant steel 啄 ferrite Cr equivalent impact toughness 马氏体钢中 啄 铁素体的表征及影响 赵美兰 1 新型 9 12 Cr 马氏体钢是超临界电站机组 中应用最多的一类材料 被广泛应用于锅炉和汽轮 机的许多部件 包括锅炉管 连箱 管道 汽缸 叶片和转子等 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啄 铁素体 3 6 而通常认为 啄 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 啄 铁 素体的生成 7 8 Tchizhik 9 等指出钢的断裂韧性 与 啄 铁素体的体积分数成反比 并且提出钢中 啄 铁素体体积分数不宜超过 3 但是 Anderko 10 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 啄 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 啄 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 啄 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 啄 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实验方法 1 从经氧化法电炉冶炼 锻造 粗加工成型 1 中国第一重型机械集团天津重型装备工程研究有限公司助理工程师 天津300457 10 3969 j issn 1673 3355 2011 02 010 31 万方数据 2011 年 第 2 期 总 140 期 CFHI yz js 一重技术 表 1接近水口端和冒口端的化学成分 Wet 化学元素CrMoWVSiNb 冒口10 151 000 920 190 310 03 水口10 180 990 870 190 280 05 化学元素CNiMnCuN 冒口0 120 780 480 050 035 水口0 110 720 450 060 033 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18 mm伊160 mm 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 T 229 2007 分别将两个 位置的各 1 根试棒加工成 10 mm伊10 mm伊55 mm 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 10 mm伊10 mm 的截面进行金相组织分析 侵蚀剂为苦盐酒 侵蚀时间约 30 s 采用 200MAT 金相显微镜图像分 析仪采集每个试样所有含 啄 铁素体的视场 用称 重法对 啄 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 啄 铁素体与冲击功之间的关系 2试验结果与讨论 2 1不同位置处马氏体耐热钢的冲击性能 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马氏体耐热钢的微观组织及 啄 铁素体表征 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 啄 铁素体 在金相显微镜下 啄 铁素体与马氏体之间的边界清晰 经长时间回 火后大多数 啄 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 表 2不同位置处的 V 型缺口冲击功 取样位置1 11 22 12 2 冲击功 KV2 J 691288 a 马氏体 深色 啄 Fe b 马氏体 亮色 啄 Fe 图 1马氏体耐热的金相组织 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 啄 铁素体在电镜下呈深色 见图 2 a 而深色 啄 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 啄 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 啄 铁素体 深色 啄 铁素体和 啄 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 啄 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 啄 铁素体晶界处最高 3 金相显微 镜下深色 啄 铁素体比亮色 啄 铁素体中总的 W Mo Cr 和 V 含量要多 可以推断深色的 啄 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 啄 铁素体 在平 行于断口 10 mm伊10 mm 的截面上 采集所有含啄 铁素体 100 倍的视场 每个视场实际尺寸为 1 3 mm伊1 mm 用称重法 精度到 10 4 对其视场数 量和 啄 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 啄 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 32 万方数据 CFHI 2011 年 第 2 期 总 140 期 yz js CFHI TECHNOLOGY 图 3Fe Cr 二元相图 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 a 马氏体和亮色 啄 铁素体 b 亮色 啄 铁素体的 EDS 图 c 深色 啄 铁素体 d 深色 啄 铁素体的 EDS 图 e 啄 Fe 的晶界 GB f 啄 铁素体晶界的 EDS 图 图 2扫描电镜下的微观组织及能谱图 表 3不同组织中化学元素 Wt 化学元素 马氏体 亮色 啄 铁素体 深色 啄 铁素体 啄 铁素体晶界 WMoCrVMnFe 2 351 0810 780 320 5984 26 3 331 7411 560 540 3982 45 4 102 2211 730 470 3480 54 7 533 8612 500 830 6674 64 表 4不同位置处试样中 啄 铁素体的含量 取样位置1 11 22 12 2 含 啄 铁素体的视场数目11102026 啄 铁素体含量 0 40 92 24 1 33 万方数据 2011 年 第 2 期 总 140 期 CFHI yz js 一重技术 表 5不同方法计算 Creq 或 Creq和 Nieq Hilmar 11 Schaeffler 11 CreqCreqCreqNieq 冒口9 299 7011 634 62 水口9 6010 3011 624 25 Ryu 12 CreqNieqCreqNieq 冒口12 606 8913 964 31 水口12 586 3513 923 97 Tchizhik 9 Meng 6 a 裂纹源 b 图 a 中 B 处的放大 图 5试样 2 1 的裂纹源 通常用铁素体当量因子 Cr 当量 Creq 来评估 啄 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冲击断口分析 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 130 滋m 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 啄 铁素体形貌相近 其能谱成分 Wt 为 W 4 67 Mo 2 25 Cr 11 94 V 0 37 Mn 0 10 Fe 80 67 也在表 3 中所列 啄 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 啄 铁素体造成的 a 裂纹源 b B 放大 图 4试样 2 1 的裂纹源 观察试样 1 1 的断口形貌 冲击功 69J 其 纤维断口高度为 1 27 mm 见图 5a 纤维断面率 与 2 1 相比有明显的增加 未发现长条 啄 铁素体 存在 由前述可知 啄 铁素体及其晶界是一种富 W Mo Cr 和 V 且贫 Mn 相 所以 啄 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 13 材料 脆性加大 此外 啄 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 啄 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 啄 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 啄 铁素体 34 万方数据 CFHI 2011 年 第 2 期 总 140 期 yz js CFHI TECHNOLOGY 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 啄 铁素体的出现 2 4控制 啄 铁素体的途径 对照Schaeffler Schneider 11 在研究不锈钢焊 缝区组织时发现的 啄 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 啄 铁素体含 量 0 5 的范围内 见图 6 中的点 1 和点 2 根据 Tchizhik 9 认为 琢 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 琢 Creq Nieq分别为 1 83 和 1 98 超出了 琢 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 14 15 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 啄 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结 语 通过对工业生产大型锻件马氏体耐热钢中的 啄 铁素体含量以及 啄 铁素体对冲击性能的影响的 研究 可以得出以下结论 1 啄 铁素体是一种富 W Mo Cr 和 V 且贫 Mn 相 2 较高的 Creq是 啄 铁素体含量较高的主要 原因 3 啄 铁素体是导致冲击试样裂纹快速扩展 降低冲击韧性的主要原因 4 通过控制铁素体形成元素到最低限 奥氏 体形成元素到最高限 抑制 啄 铁素体的析出 获 得完全马氏体组织 可以获得良好的综合力学性 能 参考文献 1 范华 杨功显 超临界与超超临界汽轮机组用材 东方电气评 论 19 2 90 97 2005 2 朱宝田 三种超超临界 1000MW 汽轮机简介 中国超超临界火 电机组技术协作网第二届年会 2006 10 青岛 3 王强 2Cr12NiWMoVNb 钢的 啄 铁素体含量的控制 四川冶金 3 23 2001 4 顾红梅 1Cr12Mo 钢的 啄 铁素体含量的控制 特钢技术 2 8 2003 5 陈亚宁 叶片钢 2Cr11Mo1VNb 轧制大型材 啄 铁素体含量控制 16 62 18 20 23 2010 6 孟繁茂 付俊岩 现代含铌不锈钢 M 冶金工业出版社 179 188 2004 7 胡小强 肖纳敏 罗兴红 李殿中 含 W 型 10 Cr 超超临界 钢中 啄 铁素体的微观结构及其对力学性能的影响 金属学报 45 5 553 558 2009 8 马力深 钟约先 马庆贤 袁朝龙 董岚枫 啄 铁素体对 12 Cr 超超临 界转子钢冲击性能的影响 清华大学学报 自然科学版 48 11 1887 1890 2008 9 A A Tchizhik T A Tchizhik Anna A Tchizhik Optimization of the heat treatment for steam and gas turbine parts manufactured from 9 12 Cr steels Journal of Materials Processing Technology 77 226 232 1998 10 Anderko K Schafer L Materna Morris E Effect of the 啄 ferrite phase on the impact properties of martensitic chromium steels J Nucl Mater 1991 179 181 492 11 Hilmar Kjartansson Danielsen Z phase in 9 12 Cr Steels Ph D thesis Department of Manufacturing Engineering and Management Technical University of Denmark February 2007 12 S H Ryu Jinyu A new equation for the Cr equivalent in 9 to 12 pct Cr steels Metallurgical and materials transactions A 29A 1577 1561 1998 13 金属学与热处理 哈尔滨工业大学 崔忠圻编 286 287 14 V Knezevic J Balun G Sauthoff G Inden A Schneider Design of martensitic ferritic heat resistant steels for application at 650益 with supporting thermodynamic modeling Materials Science and Engineering A 447 334 343 2008 收稿日期 2011 01 28 1 冒口成分 2 水口成分 图 6Schaeffler Schneider 图 筌筝筌筝筌 35 万方数据 马氏体钢中 铁素体的表征及影响马氏体钢中 铁素体的表征及影响 作者 赵美兰 Zhao Meilan 作者单位 中国第一重型机械集团天津重型装备工程研究有限公司 天津 300457 刊名 一重技术 英文刊名 CFHI TECHNOLOGY 年 卷 期 2011 2 参考文献 14条 参考文献 14条 1 S H Ryu Jinyu A new equation for the Cr equivalent in 9 to 12