珠光休耐熱鋼服役過程中組織及性能演化
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付坤 王長才 胡連海 薛峰 周書昌
（1.河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)院 石家莊 050061）
(2.石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 石家莊 050045)
摘要：準(zhǔn)確評定電站鍋爐用珠光體耐熱鋼的使用壽命具有重要的價(jià)值，對不同運(yùn)行工況條件下的20G和12CrlMoV的顯微組織和性能演化規(guī)律進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著服役時(shí)間的增加，20G耐熱鋼的球化程度加深，碳化物向晶界擴(kuò)散，形成鏈狀分布，12CrlMoV耐熱鋼的珠光體形成細(xì)長狀分布于晶界處，削弱了晶界強(qiáng)度，使得抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，隨著高溫短時(shí)過熱程度的加劇，20G耐熱鋼的晶粒尺寸增加，形成粗大的魏氏組織，嚴(yán)重降低力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞：珠光體耐熱鋼珠光體球化顯微組織 力學(xué)性能
隨著我國電站鍋爐運(yùn)行時(shí)間的增長，超期服役的老齡機(jī)組也在不斷增加，由于長期在高溫下運(yùn)行，珠光體耐熱鋼的組織球化嚴(yán)重，容易形成過熱組織，進(jìn)而導(dǎo)致力學(xué)性能下降，難以滿足使用運(yùn)行要求，使得鍋爐安全問題越來越突出，鍋爐事故頻發(fā)，造成重大環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和人民生活。為了保證鍋爐的安全運(yùn)行，需要定期進(jìn)行電站鍋爐耐熱鋼的檢測，以進(jìn)行壽命評估，使得電站鍋爐既能安全的運(yùn)行，又不至于過早報(bào)廢而浪費(fèi)材料的使用壽命，因此精確地評估鍋爐的使用壽命具有重要的實(shí)用價(jià)值。
本文對不同運(yùn)行條件下的電站鍋爐用珠光體耐熱鋼的顯微組織的演化規(guī)律進(jìn)行分析，對力學(xué)性能的影響進(jìn)行評估，從而完善金屬監(jiān)督方法。
1試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)材料是從長期運(yùn)行的電站鍋爐管道上截取的，包括20G和12CrlMoV兩種珠光體耐熱鋼管，其中，20G取自水冷壁，12CrlMoV取自高溫過熱器，運(yùn)行工況條件見表1，其中11#—14#試樣為服役不同時(shí)間的20G，31#～34#試樣為服役不同時(shí)間的12CrlMoV，21#～23#試樣為服役時(shí)間相同，但是出現(xiàn)了不同程度的短時(shí)高溫過熱情況的20G。制備金相試樣，并用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用顯微鏡觀察試樣的顯微組織演化，依據(jù)DL/T 674-1999和DL/T 773-2001，對20G和12CrlMoV的金屬組織進(jìn)行球化評級，根據(jù)GB/T 228.1-2010，制備拉伸試樣，采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)測定屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)，加載速率為2mm/min。
2試驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1珠光體耐熱鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果
表2為20G拉伸性能測試結(jié)果，表3為12CrlMoV拉伸性能測試結(jié)果，從表2、表3可以看出，11#～14#試樣以及31#—34#試樣，隨著服役時(shí)間的增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，伸長率增加，力學(xué)性能劣化，其中13#、14#、33#和34#的抗拉強(qiáng)度不能滿足GB 5310-2008要求，21#～23#服役時(shí)間相同，存在不同程度的短時(shí)高溫過熱，其中23#的抗拉強(qiáng)度較低，不能滿足GB 5310-2008要求。
2.2 20G長期服役后的組織演化
圖1為不同服役時(shí)間的20G顯微組織，其中，圖1 (a)為服役時(shí)間2萬h的20G顯微組織，珠光體呈現(xiàn)大塊狀分布，珠光體區(qū)域中的碳化物呈現(xiàn)片狀，基本沒有分散，球化等級評定為2級；圖1 (b)為服役時(shí)間5萬h的20G顯微組織，珠光體基本上還是聚集形態(tài)，但是已經(jīng)由塊狀向團(tuán)絮狀轉(zhuǎn)變，碳化物開始分散，少量碳化物開始在晶界上聚集，有一定球化趨勢，使得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略有下降，球化等級評定為3級；圖1 (c)為服役時(shí)間達(dá)到10萬h的20G顯微組織，珠光體變?yōu)榧?xì)小的團(tuán)絮狀，區(qū)域中的碳化物已經(jīng)分散，并向晶界聚集，球化比較嚴(yán)重，使得抗拉強(qiáng)度較低，已經(jīng)不能滿足GB 5310標(biāo)準(zhǔn)要求，球化等級評定為4級；圖1 (d)為服役時(shí)間最長的20G顯微組織，組織出現(xiàn)了嚴(yán)重球化狀態(tài)，珠光體區(qū)域中的碳化物已經(jīng)明顯分散，在晶內(nèi)分布著一部分細(xì)小的粒狀碳化物，大部分碳化物擴(kuò)散到晶界并長大，形成鏈狀分布，顆粒大小不一，這種鏈狀分布，降低晶界的強(qiáng)度，對性能影響極其不利，使得抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度嚴(yán)重下降，不能滿足GB 5310標(biāo)準(zhǔn)要求，球化等級評定為5級。
2,3 20G短時(shí)高溫過熱后的組織演化
圖2為短時(shí)高溫過熱后的顯微組織，這三個(gè)試樣的服役時(shí)間相同，短時(shí)過熱時(shí)間均為168h，但是由于爐膛內(nèi)溫度分布不均，短時(shí)高溫過熱程度不同，圖2(a)過熱溫度為440℃，圖2 (b)過熱溫度為450℃，圖2 (c)過熱溫度為455 0C。圖2(a)顯示的20G顯微組織具有輕微的過熱情況，珠光體基本呈現(xiàn)為塊狀分布，但是在局部位置，出現(xiàn)了針狀鐵素體從晶界向晶內(nèi)生長，插入珠光體晶粒中，晶粒比較細(xì)小，晶粒尺寸為7～15um，對性能影響較小，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高；圖2 (b)的20G顯微組織過熱情況進(jìn)一步增加，晶粒比較粗大，晶粒尺寸為25～35 um，鐵素體從晶界以針狀形態(tài)深入珠光體內(nèi)，打亂了珠光體的分布，對性能影響較大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，其中抗拉強(qiáng)度已經(jīng)接近GB 5310標(biāo)準(zhǔn)要求的下限；圖2(c)的20G顯微組織過熱嚴(yán)重，晶粒粗大，晶粒尺寸為55～65um，為粗大的針狀鐵素體從晶界向晶內(nèi)成排生長，嚴(yán)重分割珠光體組織．珠光體中的碳化物部分呈現(xiàn)球化，形成了鐵素體魏氏組織，對性能影響嚴(yán)重，抗拉強(qiáng)度嚴(yán)重降低，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.4 12CrlMoV長期服役后的組織演化
圖3為不同服役時(shí)間的12CrlMoV顯微組織，其中，圖3 (a)為服役時(shí)間為2萬h的12CrlMoV顯微組織，由鐵素體基體加聚集形態(tài)的珠光體組成，其中的碳化物基本呈現(xiàn)片狀分布，球化程度較輕，力學(xué)性能較高，球化等級評定為2級；圖3 (b)為服役時(shí)間4萬h的12CrlMoV顯微組織，聚集形態(tài)的珠光體區(qū)域內(nèi)碳化物已經(jīng)開始分散，成為球狀分布，其組成仍然較為致密，少量碳化物開始在鐵素體基體上彌散析出，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略有下降，球化等級評定為3級；圖3 (c)為服役時(shí)間達(dá)到6萬h的12CrlMoV顯微組織，珠光體向晶界聚集，碳化物開始分散，一部分呈現(xiàn)球狀分布，另一部分珠光體的形態(tài)發(fā)生了明顯改變，由塊狀變?yōu)榧?xì)長狀，主要沿著晶界分布，削弱了晶界的強(qiáng)度，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度較低，球化等級評定為3.5級；圖3 (d)為服役時(shí)間為12萬h的12CrlMoV顯微組織，一方面，呈現(xiàn)聚集態(tài)的珠光體以細(xì)條狀形態(tài)分布在晶界，其內(nèi)部的碳化物開始分散，呈現(xiàn)球狀，另一方面，在鐵素體基體內(nèi)部，析出了大量的細(xì)小的碳化物，這兩方面對性能影響較大，使得抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度嚴(yán)重下降，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，球化等級評定為4級。32#和33#盡管球化級別一致，但是由于33#的珠光體的形態(tài)及分布位置不利，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于32#，力學(xué)性能已經(jīng)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，材料性能除了與球化等級有關(guān)外，還與珠光體的形態(tài)及分布位置有關(guān)。
3結(jié)論
1)隨著20G耐熱鋼服役時(shí)間的增加，球化程度逐漸增加，碳化物開始分散，并向晶界移動(dòng)，形成鏈狀分布，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，力學(xué)性能劣化。
2)隨著20G耐熱鋼短時(shí)高溫過熱程度的加劇，晶粒尺寸逐漸增加，針狀鐵素體成排向晶內(nèi)生長形成粗大的魏氏組織，嚴(yán)重降低力學(xué)性能。
3)隨著12CrlMoV耐熱鋼服役時(shí)間的增加，塊狀珠光體變?yōu)榧?xì)長狀，沿著晶界分布，同時(shí)在鐵素體基體內(nèi)析出細(xì)小的碳化物，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，力學(xué)性能劣化。
