T91钢金相组织异常原因分析及建议

代小号，欧阳杰，徐雪霞，郑相锋，王 勇

(河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

1 概述

T91钢是锅炉受热面管常用的马氏体耐热钢，其在9Cr1Mo钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的质量分数，添加少量的钒、铌元素进行合金化。ASTM213/A213M-85C标准中规定T91钢的化学成分见表1。其正常组织为细小的板条状，组织为回火马氏体，见图1。

表1 标准规定T91钢的化学成分 %

元素CMnPSSiCr质量分数0.08～0.120.30～0.60≤0.02≤0.010.20～0.508.00～9.50元素MoVNbNNi质量分数0.85～1.050.18～0.250.06～0.100.03～0.07≤0.40

图1 正常的T91组织

在对某电厂爆管取样管检验过程中发现该批次的小管金相组织均是异常组织，不是正常的回火马氏体，T91钢的强化机理得不到正常的发挥，易造成爆管，以下列举了本次检验发现的异常金相组织，并分析产生的原因，给出相关建议。

2 金相组织异常情况介绍

2.1 铁素体代替马氏体

在正火条件下，T91钢铁素体的等轴晶完全奥氏体化，快速冷却后就能得到马氏体组织，冷却速度对奥氏体转变起着重要作用，由于壁厚的原因冷却速度对P91管道的影响更加显著。T91小管由于壁薄不容易出现冷却速度不正确造成的异常组织，但是该次检验在T91管道中发现了由于冷却速度不正确造成的非正常组织，见图2、图3。

图2 等轴状铁素体组织

图3 等轴状铁素体老化组织

关于冷却速度对于T91钢马氏体转变的影响，相关研究表明[1]，在冷却速度低于2 ℃/min时，金相组织全部为铁素体，未出现正常的马氏体组织，其铁素体呈等轴状分布，其中在图3的晶界中出现了链状碳化物。

2.2 马氏体板块中夹杂块状铁素体

在冷却速度稍快时(2～9 ℃/min)，组织为先共析铁素体+马氏体，其特征是在马氏体板条中间夹杂着块状的铁素体，块状铁素体一般出现在P91大管道中，但是该次T91小管的检验中同样发现了块状铁素体，见图4。

图4 马氏体与先共析铁素体

2.3 晶粒内部存在粗大的马氏体板条

晶粒内部存在粗大的马氏体组织，见图5。从图5中可以看到原奥氏体晶界，奥氏体晶粒粗大，晶粒度2～3级，晶粒内部是粗大的马氏体板条。

2.4 出现混晶组织

混晶组织一般在焊缝中容易见到，但是该次检验中T91小管出现了混晶组织，见图6。相关研究表明产生这种组织是由于正火温度过高或者保温时间过长使奥氏晶粒不均匀长大造成的，可能是在制造厂将小管和大管同炉处理，造成小管保温时间过长。

图6 混晶组织

3 金相组织异常原因分析

该次检验的T91钢的管件壁厚小，温度控制比P91管厚壁管容易，但是检验中仍然发现以上异常组织，产生异常的原因主要是热处理过程控制不当，T91管主要热处理工艺为正火+高温回火，1 040～1 080 ℃正火，保温后空冷，然后进行750～780 ℃回火空冷。

3.1 正火温度和保温时间

正火的目的是得到完全的马氏体组织，首先升温完成奥氏体转变，再由过冷奥氏体转变为马氏体。

正火温度过高和保温时间过长容易造成原奥氏体晶粒粗大，形成图5所示的粗大的马氏体组织。过高的正火温度还可能会造成高温铁素体的形成，在金相图中高温铁素体区位于奥氏体区的上方，当正火温度过高，达到高温铁素体区时，在奥氏体晶界或晶内会析出高温铁素体，由于T91钢中Cr的含量高，扩大了高温铁素体区，在随后的马氏体转变过程中，部分高温铁素体就有可能保留下来，高温铁素体会降低T91钢的力学性能，该次检验中并未发现高温铁素体组织，说明正火温度未超限值。

过低的正火温度(即正火不足时)，会导致组织的奥氏体转变不完全，在后面的冷却过程中不能得到完全的马氏体组织，容易形成图6所示的混晶组织。

在实际热处理中，炉温和件温不符可能是造成正火温度失控的原因，厚壁管和薄壁管同炉热处理容易造成薄壁管保温时间过长，从而产生晶粒粗大。

3.2 冷却速度

文献[2]测得的T91钢的钢连续冷动转变(CCT)曲线如图7所示，从图中可以看到T91钢在相当宽的冷却速度范围内均可以得到完全的马氏体组织，但是冷却速度低于9 ℃/min时就有先共析铁素体产生，冷却速度慢到一定程度时没有马氏体产生。在实际热处理过程中，造成冷却速度太慢的原因可能是管件厚壁管和薄壁管同时堆放冷却，易使薄壁管冷却速度不足。

图7 T91钢的CCT曲线

3.3 回火温度

T91钢的高温回火目的是降低马氏体转变产生的内应力和提高碳化物的析出，从而提高T91钢的高温力学性能。回火温度过低(一般认为低于750 ℃)达不到效果，回火温度过高会对组织和性能产生不利的影响。当回火温度过高，超过T91钢的AC1线(810～830 ℃)时，部分马氏体发生奥氏体转变，在随后的冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，造成组织中存在未经回火的马氏体，也可能产生混晶组织，大幅降低T91钢的冲击韧性。

4 结论及建议

检验结果表明，T91小管同样会出现热处理失控的情况，主要是正火温度、冷却速度、回火温度等因素控制不得当，造成T91管产生异常组织，如出现等轴状铁素体、块状铁素体、晶粒粗大、混晶组织多种非正常组织，对其性能造成不利影响，进而影响其使用寿命。因此建议制造厂严格控制热处理过程，比如采取提高热处理炉内温度的均匀性和温控精度、避免将规格相差太大的部件同炉热处理、避免冷却过程中管件堆放过密等措施。同时建议使用者在新管入厂时对同炉同批次的新管增加金相组织及力学性能抽检，以减少或避免由于金相组织异常造成的爆管。

参考文献：

[1] 宁保群，刘永长，乔志霞，等.T91铁素体耐热钢过冷奥氏体转变过程中临界冷却速度的研究[J].材料工程，2007(9)：9-13.

[2] 宁保群，严泽生，付继成，等.冷却速率对T91钢相变过程及组织的影响[J].钢铁，2009，44(7)：9-13.