12Cr1MoVG鋼在高溫條件下的組織變化研究

摘 要：對電站鍋爐中使用不同時間的12Cr1MoVG鋼進行金相分析，發現12Cr1MoVG的貝氏體球化速率隨溫度而變化。溫度越高，貝氏體球化速率越快，迎火面的溫度較背火面高，貝氏體球化速率也快。當溫度一定的時候，電站鍋爐中12Cr1MoVG的貝氏體球化速率并不是恒定值，發生球化的時間越長，其速率越慢。球化過程中α-Fe的溶質原子減少導致球化速率減緩，同時降低材料物理性能。

關鍵詞：12Cr1MoVG；貝氏體；球化；電站鍋爐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.042

1 引言

12Cr1MoVG是耐熱合金鋼，其小徑管在實際使用中具有生產工藝成熟，焊接性能好，經濟成本低等特點[1]，且在高溫下具有良好的屈服強度，較低的熱脆傾向等性能，因而廣泛的應用于電站鍋爐的水冷壁管、低溫過熱器管、低溫再熱器管、屏式過熱器管等受熱面系統。

由于12Cr1MoVG鋼在電站鍋爐中使用環境惡劣。處于長期的高溫條件下，12Cr1MoVG鋼會隨著使用時間的增長而出現高溫疲勞、電化學腐蝕、汽水物理沖蝕等現狀。在較差的煤質和水質影響下，12Cr1MoVG小徑管經常會發生爆管事故[2]。由于低過、低再管等處于鍋爐內部，嚴重的爆管事故維修要求整臺鍋爐機組停運檢修，因此帶來的經濟損失巨大，且影響鍋爐的運行安全及使用壽命。

由于鍋爐運行狀態下，燃燒的煤質和作為介質的水質可以通過化學方法分析并監控，可有效控制其有害元素的量，減輕對鍋爐管子的腐蝕現象，且受熱面管外部凝結的結焦在一定程度上減輕了管子外壁的侵蝕、沖蝕現象。而高溫對管子的不良影響卻無任何有效的監控及壽命預估方法，因此研究12Cr1MoVG鋼在高溫條件下的組織變化對評估使用狀態及壽命評價是十分有益的；對鍋爐合理的計劃停機檢修檢驗具有一定的指導意義。

2 試驗材料和方法

本文分析對象為某電廠額定蒸汽壓力為26Mpa的亞臨界電站鍋爐，分析試樣為該電站鍋爐高溫再熱器管，在600℃下分別運行了20000h和28000h，通過割管取樣制備金相試樣，依次編號為試樣1和試樣2，迎火面和背火面分別編號為a和b，金相顯微鏡型號為倒置式4XC。

3 結果與討論

圖1為運行不同時間的12Cr1MoVG鋼金相圖（400X），從圖中可以看12Cr1MoVG鋼是由貝氏體和鐵素體組成，這是因為鋼中的Cr、Mo元素的存在會導致珠光體共析溫度下降，在冷卻的過程中延遲了珠光體轉變過程，當溫度降到馬氏體轉變溫度和珠光體轉變溫度之間時，奧氏體轉變為貝氏體。

未球化的組織，貝氏體區域形態清晰，貝氏體中的滲碳體呈結構緊密的顆粒狀分布在鐵素體中[3]。從圖1中可以發現，隨著高溫運行時間的增加，貝氏體被打碎，原本清晰的晶界變得模糊，黑色顆粒物開始球化。這是由于長期高溫的環境下，貝氏體晶粒中的原子活動能力增加，在濃度梯度的作用下，原子發生遷移。高溫持續時間越長，原子遷移數量越多。由于碳在α-Fe中的溶解度非常低，而貝氏體中的鐵素體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，因此濃度梯度作用下的大量的原子遷移導致α-Fe的過飽和固溶體中的碳元素開始析出。由于球形的表面能最低，隨著高溫時間的增加，碳元素逐漸析出并球化和聚集，最終在晶界處形成鏈狀或條狀的碳化物。析出的碳化物類型按照M3C→M7C3→M23C6順序轉變[2]，這意味著過飽和固溶體中合金元素和碳元素同時析出，并在晶界處聚集。這使得固溶體中溶質原子數量也在下降，導致溫度不變得時候，α-Fe的溶解度也不變，隨著時間的增加，飽和度下降而析出原子的數量也越來越慢，即球化的速度減緩。

從圖中可以看出，迎火面金相組織中的球化較背火面金相組織嚴重。這是由于溫度越高，原子活性越大，能量越高，越容易克服原子間相互作用力而遷移，不同元素的原子擴散速度越快。最終導致碳原子擴散的數量更多，球化也較嚴重。

在貝氏體球化過程中，球化速率隨溫度變化的關系符合阿倫尼烏斯公式。阿倫尼烏斯經驗公式：lnk=lnA—Ea/RT。式中：K為速率常數，R為氣體常數：8.314J/mol·k，T為熱力學溫度，Ea為活化能，A為之前因子。對于同種反應，反應速率與溫度成正相關，即溫度越高，反應速率越快，因此管子迎火側比背火側球化速度快。

4 結論

電站鍋爐中12Cr1MoVG的貝氏體球化速率與溫度成正相關，迎火面的貝氏體球化速率較背火面快。當溫度一定的時候，電站鍋爐中12Cr1MoVG的貝氏體球化速率隨時間的增加而慢慢降低。球化過程中α-Fe的溶質原子減少導致球化速率減緩，同時降低材料物理性能。

參考文獻：

[1]張紅旗. 基于圖像處理技術的12Cr1MoV鋼金相組織分析研究[D].內蒙古農業大學，2013.

[2]楊峰，于慶波.12Cr1MoV鋼高溫運行過程中組織和性能的研究[J].熱加工工藝，2009，38（20）：28-30.

[3]孫樹文，雷廷權，唐之秀等.12Cr1MoV鋼大口徑高壓鍋爐鋼管沖擊韌性的質量控制[J].鋼鐵，2004，Vol.32（12）：41-45.

作者簡介：楊濤（1990-），男，回族，寧夏銀川人，研究生，工程師，主要從事承壓類特種設備的檢驗檢測、金屬監督及理化檢驗。