P92鋼高溫蠕變行為與斷口形貌組織分析

摘 要：在600℃、650℃不同應力水平下完成P92鋼的高溫蠕變試驗，觀察了蠕變斷裂后斷口的微觀結構，利用冪律關系式擬合出了應力指數n，并計算出損傷容許量系數？姿。研究表明，蠕變斷裂時間與加速蠕變階段開始時間的比值范圍在1.41～1.82。根據應力指數n及損傷容許量系數？姿，引起蠕變加速及最終斷裂原因是由于位錯的運動。應力指數n隨著溫度的升高呈下降趨勢，是由于位錯密度的降低和Laves相的形成所致。微觀斷口具有明顯的韌窩斷裂特性，部分韌窩底部存在第二相粒子。Laves相的析出強化是影響蠕變穩定性的主要因素。溫度水平較高時，Laves相的快速析出降低了位錯密度，使得蠕變斷裂強度下降，加速了蠕變斷裂。

關鍵詞：P92鋼；蠕變；斷口形貌；微觀結構

1 概述

能源需求、環境保護導致的電站鍋爐高參數、大容量的發展趨勢，使得鍋爐管用鋼的研究與開發向著高性能、低成本進行。目前在日本和歐洲，各國對用于超超臨界發電機組的9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼的研究十分廣泛，該系列鋼種以其優良的綜合性能被世界上高蒸汽參數發電機組廣泛采用。P92鋼（9Cr-0.5Mo-1.8WVNb）作為其代表鋼種，是在對T/P91鋼改進基礎上開發出的適用于更高溫度和更高蠕變斷裂強度的9Cr型F/M類鋼[1]。該鋼種屬于典型的采用“多元復合強化”理論設計出的鋼種，其成分構成中既有固溶強化元素W、Mo，也有沉淀強化元素Nb、V，還引用了N、B元素以進一步提高鋼的高溫持久強度。研究表明，P92鋼具有良好的物理性能、高溫蠕變斷裂強度、優異的常溫沖擊韌性、以及優良的抗氧化性，是超（超）臨界火電機組鍋爐集箱以及應用于極苛刻蒸汽條件下的主蒸汽和再熱蒸汽管道等管件的首選用鋼之一。

目前美、日、德等國家已對P92鋼進行全面試驗研究以積累足夠的制造以及運行經驗。研究主要集中在焊接工藝方面，對其工藝性能、力學性能、蠕變性能的研究工作也在逐步完善[2-3]。近年來，隨著超超臨界機組的投運，我國對P92鋼的冶煉、焊接、熱壓成形、熱處理工藝進行了系列的研究，并初步掌握了超超臨界機組P92鋼管件設計、制造、檢驗等技術，為實現超超臨界機組P92鋼及其管件的國產化積累了經驗[4]，但有關P92鋼的長期蠕變性能有待加強。本文在實驗的基礎上，對P92鋼的蠕變行為和斷裂試樣的斷口形貌組織進行分析。

2 實驗描述

2.1 實驗材料

3.2 蠕變斷口分析

3.2.1 宏觀斷口形貌

圖3為蠕變斷口的宏觀形貌示意圖。試樣斷裂時宏觀斷口呈現杯錐狀，形貌包含纖維區、放射區和剪切唇區。兩種溫度各應力水平下，纖維區在斷口表面所占比例均較大，而放射區、剪切唇區所占比例較小。宏觀斷口形貌表明，蠕變過程中發生明顯的宏觀塑性變形。

對比圖中不同溫度下的斷口纖維區面積可知，斷口纖維區面積隨著溫度升高增大。而在相同溫度下，低應力時纖維區面積較大。

3.2.2 微觀斷口形貌

圖4給出了斷口纖維區的典型微觀形貌，從圖可以看出，兩種溫度下各斷口纖維區分布著尺寸大小各不相同的等軸韌窩。溫度較低時（圖4a、4b），斷裂時間較長，斷口韌窩非常明顯，韌窩直徑大且深，在個別韌窩底部存在第二相粒子，且粒子直徑較小。當溫度升高時，韌窩直徑變小且淺，分布較均勻、密集，且在韌窩中存在直徑較大的第二相粒子的數目明顯增多，表明在粗化的第二相粒子處容易形成韌窩。由此可以看出，第二相粒子尺寸受溫度影響較為顯著。

3.2.3 斷口分析及討論

在高溫蠕變條件下，P92的蠕變強化機制可以歸納為固溶強化和析出強化。通常認為，在600 ℃、650 ℃下，第二相的析出導致基體中W、Mo元素含量減少，使得固溶強化作用降低。蠕變的不穩定主要受到固溶強化作用的影響，而析出強化所起到的作用較小。但是，J.Hald[9]通過實驗和模擬，證明固溶強化對P92鋼微觀結構的穩定性影響不大。蠕變變形源自于位錯和亞晶粒邊界的遷移，高密度的位錯，使位錯運動受阻。蠕變過程中，位錯密度逐漸降低，強度也隨之下降。因此通過位錯阻塞和亞晶粒邊界引起的析出強化對微觀結構的穩定性有著重大的影響。在蠕變機制中，應當延遲位錯和亞晶粒邊界的遷移來保證蠕變強度。

P92鋼在蠕變過程中析出的第二相粒子主要有Z相、MX、M23C6以及Laves相。根據文獻[10]，Z相在650 ℃時效4 000 h后才會析出，而在本文的研究條件下，蠕變斷裂時間較短，因此可忽略Z相的影響；MX尺寸極小，在蠕變過程中極其穩定，且粗化速率很低；M23C6與Laves相對析出強化的影響巨大。M23C6優先在奧氏體晶界或板條或阻塞邊界處成核并長大，這與Laves相的形成十分相近。但M23C6在蠕變時間較短的情況下，粗化并不明顯，對材料性能影響很小。而Laves相的長大速度快于M23C6，所以本文中第二相粒子主要為Laves相，且與析出強化關系密切，因此主要考慮Laves相產生的影響。

P92鋼在600 ℃時Laves相大約在10000h后完全析出并趨于穩定[9]。650℃時經過1546.5h蠕變后，Laves相的體積分數可達到2.6%，經過2000 h后完全析出[11]。文獻[9]的實驗結果表明，650℃下Laves相粒子的體積大約比600℃大60%。在本文研究條件下Laves相還處于析出階段，因而600℃下只有個別韌窩下出現析出相。而由圖觀察到650℃時，Laves相析出數量明顯增多，且尺寸明顯變大，充分說明溫度對Laves相的很大影響。

4 結論

4.1 蠕變斷裂時間與加速蠕變階段開始時間的比值約為1.41～1.82，即導致蠕變斷裂速率加快的原因為空位和裂紋的形成與擴展。

4.2 利用冪律關系式擬合出的應力指數n分別為16.8和15.2，表明影響蠕變過程的主要因素為位錯運動。

4.3 600℃、650℃下的損傷容許量系數分別為3.18，3.25，證實蠕變加速和最終斷裂是由位錯運動所致。

4.4 P92鋼的宏觀斷口表現出該材料具有良好的高溫塑性。微觀斷口具有明顯的韌窩斷裂特性，高溫時存在第二相粒子的韌窩的數目明顯增多且第二相粒子的尺寸較大，表明其受到溫度的影響較顯著。

4.5 影響蠕變穩定性的主要因素為沉淀強化，與Laves相的析出關系密切，溫度水平較高時，Laves相的快速析出降低了位錯密度，影響材料的抗蠕變性能，使得蠕變斷裂強度下降。

參考文獻

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作者簡介：劉學（1971-），男，漢，黑龍江五常人，碩士，工程師，從事熱能工程技術研究