晶粒形态对HR3C耐热不锈钢时效脆性的影响

宋爱玲，曹铁山, 2，程从前，赵 杰

(大连理工大学1.材料科学与工程学院；2.工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024)

0 引 言

目前我国的发电方式仍以火力发电为主，超超临界(USC)机组由于具有较高的发电效率而成为火力发电的主力[1-3]。在USC机组服役过程中，材料的性能退化及其对安全性的影响受到越来越多的关注。

HR3C(25Cr20NiNbN)耐热钢是一种高铬、镍含量的新型奥氏体不锈钢，因为具有高的蠕变断裂强度和优良的抗蒸汽及烟气氧化性能，而广泛应用于蒸汽温度为600 ℃ USC机组的锅炉过热器和再热器部件[3-4]。HR3C钢含有较多合金元素，合金化程度高，在服役过程中会出现较为复杂的相析出行为[5-8]，同时由于析出相的影响，该钢会出现塑韧性降低的现象，表现出时效脆化倾向[9]。目前，对于HR3C钢在服役过程中韧性下降、脆性增加的机理主要存在两种观点：一种观点认为，时效或服役过程中M23C6沿晶界的连续析出是HR3C钢韧性下降的主要原因[9-11]；另一种观点认为，除了晶界析出相M23C6外，长期时效后晶界处σ脆性相的析出也是材料韧性下降的原因[12-13]。碳化物及其他脆性相的沿晶界连续析出和粗化降低了晶界结合力，提高了沿晶脆化的倾向，因此寻求改变晶界析出相的连续分布状态以降低脆性倾向十分必要。

潘平伟等[14]对TP310HCbN(即HR3C)冷轧不锈钢管的研究表明，升高固溶温度会增大晶粒平均尺寸，使得硬度和力学性能降低，断裂方式由准解理断裂向韧性断裂转变。曹铁山等[15]研究了晶粒尺寸(17，40 μm)对HR3C钢高温蠕变性能的影响，发现晶粒尺寸较小的HR3C钢在长期时效后的应力指数和蠕变表观激活能均较低。这说明晶粒尺寸能够影响材料的拉伸和蠕变性能。然而，关于晶粒尺寸对于HR3C钢时效脆性的影响还未见系统的研究报道。因此作者制备了3种具有不同晶粒形态(粗大晶粒、细小晶粒和伸长晶粒)的HR3C钢，其晶粒尺寸分布各不相同，研究了晶粒形态对HR3C钢时效脆性及断裂模式的影响，以期为缓解HR3C钢时效脆性问题提供一定的参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为热轧态HR3C钢。采用X射线荧光分析仪、红外碳硫分析仪、氧氮氢分析仪等测定其化学成分。由表1可见，试验钢的化学成分满足ASME SA-213/SA-213M标准要求。

表1 试验钢的化学成分

对热轧态HR3C钢进行热锻变形(变形量为50%)，形成具有伸长晶粒的组织，然后将热锻态HR3C钢进行不同的热处理以获得不同的晶粒形态：先在1 230 ℃下固溶处理2 h，以获得较大的均匀分布的晶粒，该试样记为CG试样；在1 143 ℃下固溶处理2 h，以获得相对细小的晶粒，该试样记为FG试样；在1 093 ℃下热处理20 min，一方面消除热锻时产生的内应力，另一方面保留热锻时形成的伸长晶粒，该试样记为OG试样。将CG试样和FG试样在700 ℃时效500，1 000 h，将OG试样在700 ℃时效500，1 000，2 000 h。

在时效后的试验钢上取样，用180#～2000#砂纸依次打磨，机械抛光，并在5 g FeCl3+2 mL HCl+100 mL乙醇(体积分数为95%)溶液中腐蚀10～60 s后，采用莱卡DM IL LED型光学显微镜观察显微组织，并通过Image J与Nano Measure软件统计晶粒尺寸。在Zeiss Supra55(VP)型场发射扫描电子显微镜(SEM)上观察微观形貌，用附带的能谱仪(EDS)分析微区成分。采用HV-50型维氏硬度计测定维氏硬度，载荷为9.8 N，保载时间为15 s，各测5点取平均值。按照GB/T 229—2007加工出尺寸为10 mm×5 mm×55 mm的V型缺口夏比冲击试样(其中OG试样长度方向平行于晶粒伸长方向)，在JBDW-300C型冲击试验机上进行冲击试验，采用SEM观察冲击断口微观形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 晶粒形貌与尺寸

由图1可以看出：FG试样的显微组织为均匀的奥氏体，晶粒尺寸细小；CG试样的显微组织同样为均匀奥氏体，但晶粒尺寸明显较大；OG试样中晶粒尺寸大小不均匀，大尺寸伸长晶粒与细小晶粒共存。由图1还可以看出：与700 ℃时效500 h后的试样相比，700 ℃时效1 000 h后的试样析出相数量有所增加，黑色析出相沿晶界析出，且晶粒尺寸越细小的试样中析出量越多。经前期研究成果[16]确认该析出相为σ相。

图1 3种试样在700 ℃时效500 h和时效1 000 h后的显微组织

通常，在再结晶温度以下进行时效后，金属材料的晶粒尺寸基本不变，而固溶态试样因晶界处无明显第二相析出而腐蚀困难，不利于晶粒尺寸的统计，因此采用时效态HR3C钢进行晶粒尺寸统计分析。由图2可知，在700 ℃时效500 h后，FG试样的晶粒尺寸主要集中在20～30 μm，CG试样的晶粒尺寸主要集中在100～120 μm。统计得到FG试样和CG试样的平均晶粒尺寸分别约为33，103 μm。

图2 700 ℃时效500 h后FG试样和CG试样的晶粒尺寸分布

2.2 微观形貌及微区成分

由图3可以看出，时效1 000 h后，3种试样的晶界均存在析出相，晶粒细小的FG试样晶界析出相呈链状分布，晶粒粗大的CG试样晶界析出相呈连续状分布，晶粒伸长的OG试样晶界析出相分布的连续性介于上述两者之间。由表2结合文献[17-18]分析可以确定，3种试样的晶界析出相均主要为M23C6碳化物。在相同时效时间下，FG试样晶粒更细小，晶界数量更多，总长度更长，平均单位长度晶界上的M23C6析出相减少，因此碳化物在晶界呈链状分布；CG试样的晶粒较粗大，平均单位长度晶界上的M23C6析出相增加，因此碳化物在晶界连续分布；而OG试样晶粒大小不均匀，大尺寸伸长晶粒和细小晶粒同时存在，晶界总长度介于FG试样和CG试样之间，因此碳化物在晶界分布连续性也介于两者之间。

表2 3种试样晶界析出相(位置见图3)的主要化学成分

图3 在700 ℃时效1 000 h后3种试样的SEM形貌

2.3 维氏硬度

由图4可以看出：相同时效条件下，OG试样的硬度最高(固溶温度1 093 ℃)，其次为FG试样(固溶温度1 143 ℃)，CG试样(固溶温度1 230 ℃)的硬度最低，这种硬度随固溶温度升高而降低的现象与固溶处理对HR3C钢中热锻组织的均匀化处理效果有关；时效后3种试样的硬度均比未时效试样有所提高，但随着时效时间的延长，硬度变化不明显。OG试样的固溶温度相对较低且时间较短，没有发生再结晶行为，依然保留较多的位错结构以及第二相等热变形组织特征，其强化作用使OG试样的硬度最高，而时效过程中第二相的大量析出导致硬度进一步增加。FG和CG试样均经过高温固溶处理，发生了再结晶行为，组织发生回复软化使得两者的硬度均明显低于OG试样。另外，FG试样由于细晶强化作用，其硬度高于CG试样。

图4 3种试样的维氏硬度随时效时间的变化曲线

2.4 冲击韧性

由图5可以看出：在相同时效条件下，OG试样的冲击韧度均高于FG试样和CG试样；固溶态CG试样的冲击韧度大于相同状态FG试样，时效后则相反。在较高固溶温度下，CG试样进行了更充分的固溶，固溶强化作用较强，冲击韧度较高。时效处理后，CG试样晶粒尺寸较大，单位晶界上析出相较多，晶粒间的结合力明显下降，脆性提高，冲击韧度明显下降，低于FG试样。

图5 3种试样的室温冲击韧度随时效时间的变化曲线

由图6可知：700 ℃时效500 h后，FG试样的冲击断口上存在明显的沿晶开裂特征，同时存在大量撕裂痕迹，该试样发生了脆性和韧性混合断裂；CG试样的冲击断口呈典型的冰糖状断口形貌，说明该试样发生了沿晶脆性断裂；固溶态OG试样的冲击断口表面由大量韧窝组成，呈典型的韧性断裂特征；700 ℃时效2 000 h后，OG试样冲击断口中存在较多穿晶断裂的平面以及沿晶断裂特征，部分位置存在韧窝，呈韧性断裂。OG试样、FG试样和CG试样冲击断裂的脆性程度依次提高，因此，在相同时效态下冲击韧性依次降低。

图6 3种试样在不同状态下的冲击断口形貌

通常，在晶界处分布的M23C6析出相被认为是HR3C钢发生沿晶脆断的重要原因之一，这主要是由于M23C6碳化物的晶格常数是奥氏体的3倍，沿晶界大量析出的M23C6碳化物增加了两晶粒间的原子空位密度，降低了晶粒与晶粒之间的结合能，使得钢材更易发生脆性断裂。OG试样中沿轧制方向拉长的晶粒使得材料性能呈各向异性，冲击断裂时，裂纹不容易绕过伸长晶粒发生沿晶扩展，而是优先穿过晶粒进行扩展，因此OG试样的冲击韧性最高。时效处理后，OG试样中仍保留大量伸长晶粒，冲击断口依然存在较多穿晶开裂特征，冲击性能较好。FG试样的晶粒细小，时效后，FG试样中M23C6析出相沿晶界呈链状分布，保留了一定的晶界强度，因此在冲击断口上存在较多的撕裂痕迹，而CG试样由于晶界M23C6碳化物的连续分布明显降低了晶界的强度，冲击韧性相对较差。

3 结 论

(1) 相同时效时间下，具有粗大晶粒的HR3C钢硬度最低(固溶温度1 230 ℃)，具有细小晶粒的HR3C钢(固溶温度1 143 ℃)硬度较高，而具有伸长晶粒的HR3C钢(固溶温度1 093 ℃)的硬度最高，这种硬度随着固溶温度升高而降低的现象与固溶处理对HR3C钢中热锻组织的均匀化处理效果有关。

(2) 在相同时效条件下，具有伸长晶粒的HR3C钢冲击韧度最高；具有粗大晶粒的固溶态HR3C钢的冲击韧度高于具有细小晶粒的HR3C钢；粗大晶粒试验钢由于长期时效后晶界析出相呈连续分布，沿晶脆断的倾向增大，而细小晶粒试验钢的晶界M23C6析出相呈不连续的链状分布，冲击韧性更好；具有伸长晶粒的HR3C钢晶界M23C6碳化物的连续性介于具有粗大晶粒试验钢和具有细小晶粒试验钢之间，其伸长的晶粒形态使其获得了更优的冲击韧性，在冲击过程中发生韧性断裂。