T23低合金耐熱鋼再熱裂紋敏感性研究

李世賢 朱麗慧 周任遠 柯志剛 翟國麗

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.寶鋼集團中央研究院，上海 201900)

T23鋼是由日本住友金屬和三菱重工聯合開發的低合金貝氏體耐熱鋼。T23鋼具有較高的持久強度，焊接時焊件無需預熱和焊后熱處理，其許用應力值高于T22(2.25Cr- 1Mo)鋼[1- 2]。T23鋼被廣泛用于超臨界火電機組過熱器和再熱器及超超臨界機組水冷壁等重要零部件。然而據報道，T23鋼制造的水冷壁因焊接接頭熱影響區粗晶區(coarse- grained heat- affected zone, CGHAZ)出現再熱裂紋而導致管道爆裂及泄漏，導致火電機組存在極大的安全隱患[3]。因此，研究如何避免T23鋼產生再熱裂紋具有重要意義。

目前，避免產生再熱裂紋的措施主要是改進焊接工藝等。低合金耐熱鋼的再熱裂紋敏感性與合金元素密切相關[4- 6]，改進T23鋼的化學成分可從根本上解決再熱裂紋敏感性大的問題。文獻[6]提出了計算2.25Cr- 1Mo鋼產生再熱裂紋的臨界應力(σCr)的經驗公式：

CSr=32C+0.5Cr+Mo+11V

(1)

由式(1)可知：CSr值越大，σCr越小，越容易產生熱裂紋，即再熱裂紋敏感性越大。所以適當減少碳、釩、鉻和鉬的含量有可能減小T23鋼的再熱裂紋敏感性。但目前很少有人從優化成分的角度研究如何減小鋼的再熱裂紋敏感性。本文研究了4種改進成分的T23鋼和原T23鋼的再熱裂紋敏感性、拉伸性能和顯微組織，分析了化學成分影響T23鋼再熱裂紋敏感性的機制。

1 試驗材料與方法

由式(1)可知，碳、鉻、鉬和釩等元素對鋼的再熱裂紋敏感性有顯著影響。鎢和鉬在固溶強化方面具有類似的作用，而鈮和釩均易于形成MX相，其彌散強化作用相似。本文改進型T23鋼是在原T23鋼成分的基礎上，改變了碳、鎢、鉬、鉻和鈮的含量，見表1。試驗用鋼經鍛造、軋制后，進行正火(1 060 ℃×20 min空冷)和回火處理(770 ℃×60 min空冷)。

表1 改進型T23鋼和原T23鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the modified and original T23 steels (mass fraction) %

本文采用應變開裂試驗(strain- to- fracture, STF)評定焊接接頭熱影響區粗晶區的再熱裂紋敏感性[7]。首先在Gleeble- 3500熱力耦合試驗機上根據圖1熱模擬曲線制備焊接接頭熱影響區粗晶區。比較發現，制備的熱影響區粗晶區的晶粒度、組織和硬度與實際焊接接頭接近，說明本文采用的模擬曲線能反映焊接的實況。將熱模擬試樣加工成如圖2所示的拉伸試樣，然后在Gleeble- 3500熱力耦合試驗機上進行應變開裂試驗，拉伸溫度近似實際焊接溫度，通常為730 ℃；拉伸速率為0.001 mm/s。采用EPIPHOT300金相顯微鏡、Zeiss Supra- 40 掃描電鏡和JEM- 2010F透射電鏡觀察應變開裂試驗拉伸斷裂試樣的熱影響區粗晶區組織。采用雙噴電解減薄方法制備透射電鏡試樣,電解液采用體積分數為10%的高氯酸酒精溶液。

改進型和原T23鋼經正火、回火后，采用WE- 100液壓萬能材料試驗機進行室溫拉伸試驗。

圖1 焊接接頭熱影響區粗晶區的熱模擬曲線和應變開裂試驗參數Fig.1 Thermal simulation curve for the coarse- grained heat- affected zone and the strain- to- fracture test parameters

圖2 應變開裂試驗拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimensions of tensile specimen for the strain- to- fracture test

2 試驗結果

2.1 再熱裂紋敏感性

采用應變開裂試驗拉伸試樣的斷面收縮率(Z)評定T23鋼的再熱裂紋敏感性：Z<5%為極其敏感; 5%20%為不敏感[7]。改進型T23鋼和原T23鋼的再熱裂紋敏感性的比較見表2。可見，原T23鋼對再熱裂紋極為敏感， 而改進型T23鋼的再熱裂紋敏感性均有所減小，其中D鋼的再熱裂紋敏感性最小。

表2 改進型和原T23鋼的再熱裂紋敏感性比較Table 2 Comparison between susceptibilities of the modified and original T23 steels to reheat cracking

2.2 室溫拉伸性能

圖3為改進型T23鋼和原T23鋼的室溫拉伸性能。美國工程協會ASME—SA213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管》規定：室溫下，T23鋼的屈服強度不低于400 MPa，抗拉強度不低于510 MPa，斷后伸長率不低于20%。由圖3可見，改進型T23鋼的強度和斷后伸長率均符合要求。

圖3 室溫下改進型和原T23鋼的屈服強度(a)、抗拉強度(b)和斷后伸長率(c)Fig.3 (a) Yield strength, (b) tensile stength, and (c) elongation of the modified and original T23 steels at room- temperature

2.3 顯微組織

改進型D鋼具有最小的再熱裂紋敏感性，故選擇D鋼的焊接接頭熱影響區粗晶區組織與原T23鋼進行對比，以揭示化學成分影響再熱裂紋敏感性的機制。圖4為原T23鋼和D鋼焊接接頭熱影響區粗晶區的顯微組織。

原T23鋼和改進型D鋼焊接接頭熱影響區粗晶區組織均主要為粒狀貝氏體，見圖4(a,b)。晶界和晶內均存在析出相，晶界的析出相較粗大，見圖4(c～f)。電子衍射花樣標定表明:原T23鋼和D鋼晶界和晶內較粗大的析出相為FCC結構的M23C6相，而晶內彌散分布的尺寸約幾十nm的細小析出相為FCC結構的MX相。與原T23鋼相比，D鋼中晶內和晶界析出相的數量明顯減少，特別是晶界M23C6析出相的數量較少。

3 討論

再熱裂紋的產生是因為焊接接頭熱影響區粗晶區的晶內強度高于晶界強度，隨后在熱處理或服役過程中，變形優先發生于晶界，導致沿晶斷裂[8- 9]。原T23鋼晶界存在大量富鉻和鎢的M23C6析出相，在晶界附近易產生鉻和鎢元素的貧化區，進而形成軟帶，導致晶界強度降低[10]。由于焊后冷卻速度較快，部分固溶于基體的碳和鎢的固溶強化導致焊接接頭熱影響區粗晶區晶內強度提高。同時，原T23鋼晶內彌散分布的細小MX相的析出強化進一步提高了晶內強度，最終導致原T23鋼較易產生再熱裂紋。

圖4 原T23鋼(a、c、e) 和D鋼(b、d、f)焊接接頭熱影響區粗晶區的顯微組織Fig.4 Microstructures in CGHAZ of (a,c,e) the T23 steel and(b、d、f)the steel D

由表2可見，改進型T23鋼的再熱裂紋敏感性均小于原T23鋼，這與改進型T23鋼的碳含量較低有關。式(1)表明碳對再熱裂紋敏感性的影響最大。這是因為：一方面碳固溶于基體強化晶內；另一方面碳易與鉻等合金元素結合在晶界形成M23C6，改進型T23鋼晶界M23C6析出相的數量明顯少于原T23鋼(見圖4)，合金元素貧化區的減少提高了晶界強度，縮小了改進型T23鋼晶內、晶界的強度差，從而減小了再熱裂紋敏感性。

D鋼的再熱裂紋敏感性最小。這是因為D鋼中除含碳量較低外，鎢和鉬的含量也較低，其固溶強化作用小于原T23鋼，且D鋼的含鈮量較低，導致晶內彌散分布的MX相少于原T23鋼(見圖4)，所以D鋼的晶內強度低于原T23鋼。此外，D鋼晶界上M23C6相的數量較少，(見圖4(c,d))，導致晶界上合金元素貧化區較少，改善了晶界強度。最終導致D鋼焊接接頭熱影響區粗晶區的晶內、晶界強度差遠小于原T23鋼，顯著減小了再熱裂紋敏感性。

B鋼的鉻和鈮含量與原T23鋼相差不大，但其固溶強化元素鉬和鎢的含量低于原T23鋼。由于晶內強度低于原T23鋼，最終導致晶內、晶界強度差小于原T23鋼，減小了再熱裂紋敏感性。盡管C鋼中起固溶強化作用的鉬的含量增加，導致晶內強度提高，但是由于C鋼的碳和鉻含量略低于原T23鋼，從而提高了晶界強度，同時起析出強化作用的鈮的含量降低，降低了晶內強度。最終導致C鋼的晶內、晶界強度差小于原T23鋼，減小了再熱裂紋敏感性。

改進型T23鋼中A鋼再熱裂紋敏感性的改善最不明顯。與原T23鋼相比，其鉻含量較低，晶界強度得到提高。同時，A鋼的鉬和鈮含量略高于原T23鋼，其晶內強度也得到提高。但是晶界強度的提高幅度大于晶內強度，A鋼的晶內、晶界強度差較原T23鋼略有減小，導致其再熱裂紋敏感性略有改善。

4 結論

(1)4種改進型T23鋼的再熱裂紋敏感性均有所減小，并且其屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足ASME—SA213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管》的要求。D鋼的碳、鎢和鈮的含量較低，再熱裂紋敏感性改善最顯著；其抗拉強度和屈服強度也最高，分別為720和637 MPa。

(2)碳、鉻、鎢、鉬和鈮元素均影響晶內MX析出相的數量、晶內的固溶強化及晶界M23C6相的數量，從而改變T23鋼晶內、晶界的強度差，進而影響再熱裂紋敏感性。碳和鉻會影響晶界M23C6相的數量從而改變晶界強度，鉬和鎢會影響固溶強化作用進而改變晶內強度，而鈮含量的變化則影響晶內彌散分布的MX相從而改變晶內強度。所以通過優化T23鋼的化學成分可減小T23鋼的再熱裂紋敏感性。