服役時(shí)間對(duì)1Cr5Mo鋼制高溫緊固螺母顯微組織和力學(xué)性能的影響

張騰雨，韓 濤，吳術(shù)全，江 峰，張志博，姜世凱

(1.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司，濟(jì)源 459012)

0 引 言

火電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，高溫緊固件在溫度、應(yīng)力等的聯(lián)合作用下，性能會(huì)逐漸下降并發(fā)生多種形式的失效，給電廠帶來(lái)極大的隱患，甚至引起重大安全事故[1]。近年來(lái)，ALLOY783合金及蒸汽鋼螺栓失效事件時(shí)有發(fā)生。螺栓的失效形式主要包括松弛失效、蠕變損傷、脆化、應(yīng)力腐蝕和疲勞斷裂等[2-3]。與螺栓相比，螺母由于工作環(huán)境和受力狀態(tài)較好，損壞概率較小[4]。螺母的失效主要受溫度影響，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間服役于高溫條件下時(shí)，其顯微組織會(huì)逐漸改變并產(chǎn)生退化，最終造成力學(xué)性能下降。目前關(guān)于火電廠緊固件的研究大多集中在螺栓失效分析方面，而對(duì)螺母在長(zhǎng)期服役過(guò)程中組織和性能的變化研究相對(duì)較少。2018年某電廠因?qū)Ψ勐菽钢匾暢潭炔粔颍袎褐髌T閥蓋螺母性能嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致發(fā)生門蓋沖脫飛出事件。由于部分材料的螺母是由汽輪機(jī)廠家自行研制的，因此標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于螺母性能的規(guī)定較少。

1Cr5Mo馬氏體耐熱鋼目前廣泛應(yīng)用于高溫爐管和汽輪機(jī)高溫緊固件；鉻元素有助于提高其抗氧化性能、耐腐蝕性能和組織穩(wěn)定性能，適量的鉬則保證了其在600 ℃以下具有較好的熱強(qiáng)性[5-6]。馬氏體耐熱鋼高溫服役后也會(huì)出現(xiàn)性能下降的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)此進(jìn)行了研究。MARUYAMA等[7]和石如星等[8]認(rèn)為，回火馬氏體中的馬氏體板條和析出相會(huì)阻礙位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期高溫下的回復(fù)，極大減緩馬氏體耐熱鋼的回火速率，從而獲得更加穩(wěn)定的高溫力學(xué)性能。YANO等[9]對(duì)兩種鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)均為11%的馬氏體鋼進(jìn)行長(zhǎng)期熱時(shí)效后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)效溫度低于550 ℃時(shí)，鋼的硬度變化很小，當(dāng)溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，硬度明顯下降。然而目前，相關(guān)研究大多集中在鉻含量為9%～12%的高鉻馬氏體耐熱鋼方面，較少涉及鉻含量較低的馬氏體耐熱鋼，如1Cr5Mo鋼等在高溫長(zhǎng)期服役后的組織和性能變化。

某火電廠超臨界機(jī)組于2004年9月投產(chǎn)，汽輪機(jī)側(cè)溫度為566 ℃，高導(dǎo)管法蘭螺母材料為1Cr5Mo鋼。2017年12月電廠機(jī)組臨檢時(shí)發(fā)現(xiàn)該螺母硬度發(fā)生大幅下降，存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法達(dá)到螺母30 a的設(shè)計(jì)使用壽命要求。為了查明1Cr5Mo鋼制火電機(jī)組螺母長(zhǎng)期服役后性能下降的原因，作者對(duì)未服役螺母進(jìn)行高溫(566 ℃)時(shí)效試驗(yàn)(等效于服役)，研究了服役時(shí)間對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響。該研究可以為火電機(jī)組高溫緊固件設(shè)計(jì)選材提供技術(shù)支持，對(duì)保證火電機(jī)組的安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為未服役和在上述超臨界火電機(jī)組服役約105h的1Cr5Mo鋼制螺母，化學(xué)成分見(jiàn)表1。其中，碳和硫元素含量由CS-344型紅外碳硫分析儀測(cè)定，磷元素含量由乙酸乙酯萃取法測(cè)定，其他元素含量由ICP-AES型全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定。該螺母在服役前后的化學(xué)成分幾乎不變，符合哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)B/HJ417-2004《金屬材料技術(shù)條件》對(duì)1Cr5Mo不銹鋼緊固件的規(guī)定。在566 ℃下對(duì)未服役螺母進(jìn)行連續(xù)高溫時(shí)效試驗(yàn)，時(shí)效時(shí)間分別為1 440，2 880 h。

表1 服役前后1Cr5Mo鋼制螺母的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在螺母上取樣，經(jīng)打磨、拋光后，使用氯化鐵鹽酸溶液(10 g FeCl3+20 mL HCl+40 mL H2O)腐蝕20 s，通過(guò)Nikon ECLIPSE MA200型倒置光學(xué)顯微鏡和S-2700型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織，利用SEM附帶的能譜儀(EDS)對(duì)碳化物成分進(jìn)行半定量分析。根據(jù)GB/T 231.1-2018，使用HB-3000C型布氏硬度計(jì)測(cè)定硬度，每個(gè)試樣測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。根據(jù)GB/T 228.1-2010，在螺母上截取圓柱形拉伸試樣，使用MTS 880型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣直徑為5 mm，引伸計(jì)標(biāo)距為25 mm，拉伸應(yīng)變速率為0.6×10-3s-1。根據(jù)GB/T 229-2007，在螺母上截取尺寸為55 mm×7.5 mm×10 mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，開V型缺口，使用JBC-300型電子測(cè)力沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，沖擊速度為5.2 m·s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出，未時(shí)效(未服役)1Cr5Mo鋼制螺母的顯微組織為回火馬氏體，在566 ℃時(shí)效1 440，2 880 h后組織未發(fā)生明顯改變。這說(shuō)明在不高于566 ℃下，1Cr5Mo鋼的顯微組織轉(zhuǎn)變是一個(gè)極其緩慢的過(guò)程。服役105h后馬氏體板條完全消失，形成了以鐵素體為基體、基體上分布著細(xì)小均勻碳化物的復(fù)相組織，即回火索氏體，螺母組織發(fā)生一定程度的退化。

由圖2可以看出，未服役螺母基體上彌散分布著大量白色碳化物，在566 ℃下隨著時(shí)效時(shí)間(亦即服役時(shí)間)的延長(zhǎng)，碳化物逐漸向晶界處遷移富集，并且發(fā)生明顯的粗化，基體內(nèi)的碳化物大幅減少。

由圖3可知：未服役1Cr5Mo鋼制螺母基體內(nèi)碳化物的主要組成元素為鐵，此外還含有少量的鉻、鉬等元素；服役105h后，晶界處析出的碳化物中鉻、鉬等合金元素含量大幅增加，鐵含量下降，推測(cè)該碳化物為M23C6(M為鐵、鉻、鉬)。由上述結(jié)果推測(cè)：未服役螺母中的鉻、鉬等合金元素均勻地固溶在基體內(nèi)，起到固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用；經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間服役后，這些合金元素由基體向晶界遷移富集，形成M23C6碳化物，造成基體中合金元素一定程度的貧化。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，M23C6碳化物發(fā)生粗化，一方面是由于1Cr5Mo馬氏體鋼組織中回火析出的細(xì)小彌散的碳化物顆粒的界面能非常高，在長(zhǎng)期高溫條件下，這種碳化物顆粒易發(fā)生長(zhǎng)大[10-13]；另一方面，1Cr5Mo馬氏體鋼為過(guò)飽和固溶體鋼，基體中固溶的合金元素在長(zhǎng)期高溫作用下會(huì)發(fā)生脫溶，并向碳化物中擴(kuò)散，從而促進(jìn)碳化物顆粒的長(zhǎng)大[14]。碳化物的不斷析出消耗了大量合金元素和碳元素，造成基體元素不斷脫溶，從而導(dǎo)致馬氏體分解。晶界處碳化物的粗化和馬氏體的分解過(guò)程是一致的。

圖1 在566 ℃下時(shí)效不同時(shí)間前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的顯微組織

圖2 在566 ℃下時(shí)效不同時(shí)間前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的SEM形貌

圖3 未服役和服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母中碳化物(位置見(jiàn)圖2)的EDS譜

圖4 時(shí)效前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的沖擊斷口形貌

2.2 力學(xué)性能

未服役1Cr5Mo鋼制螺母的硬度為255 HB，符合B/HJ417-2004中1Cr5Mo不銹鋼緊固件毛坯硬度在248～302 HB的出廠要求；時(shí)效1 440，2 880 h以及服役105h后螺母的硬度分別為215，197，164 HB。可見(jiàn)，經(jīng)時(shí)效和實(shí)際服役后螺母的硬度發(fā)生大幅度降低。由表2可知，隨著時(shí)效/服役時(shí)間的延長(zhǎng)，1Cr5Mo鋼制螺母的強(qiáng)度和沖擊功均發(fā)生大幅度下降。結(jié)合組織變化分析可知：在566 ℃下服役105h后，1Cr5Mo鋼中的回火馬氏體分解，形成了回火索氏體組織；未服役基體上彌散分布的碳化物可以起到釘扎位錯(cuò)，提升基體強(qiáng)度的作用，而隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物在晶界處析出且粗化，削弱了固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化效果。因此，螺母的強(qiáng)度和沖擊功下降。服役105h后螺母的斷后伸長(zhǎng)率提高約5%，這是因?yàn)榉?05h后的組織由回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。回火索氏體是鐵素體與碳化物構(gòu)成的復(fù)相組織，該組織鐵素體中的碳含量較少，碳化物呈球狀分散且穩(wěn)定；這種組織與回火馬氏體相比具有更高的塑性。

表2 時(shí)效前后以及服役105 h后1Cr5Mo鋼制螺母的力學(xué)性能

由圖4可以看出：未時(shí)效和在566 ℃時(shí)效1 440 h后螺母的沖擊斷口存在大量韌窩，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征；相同溫度服役105h后螺母的沖擊斷口則呈脆性斷裂特征，斷裂方式為沿晶斷裂，這與其沖擊功急劇下降的試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

(1) 在不高于566 ℃的條件下，1Cr5Mo鋼制螺母的顯微組織轉(zhuǎn)變十分緩慢，當(dāng)服役時(shí)間為2 880 h時(shí)，顯微組織仍由馬氏體和碳化物組成，服役約105h后，顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w；隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物由晶內(nèi)向晶界處遷移富集，并發(fā)生明顯粗化。

(2) 隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，螺母的硬度、強(qiáng)度和沖擊功均大幅下降，斷后伸長(zhǎng)率有所增加；當(dāng)服役時(shí)間不長(zhǎng)于1 440 h時(shí)，其沖擊斷裂形式為韌性斷裂，服役約105h后為沿晶脆性斷裂。