合金元素对马氏体耐热钢相变的影响

程幸叶 赵美兰 王 群

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

新型9-12%Cr马氏体耐热钢是超临界电站机组中应用较多的一类材料，被广泛应用于锅炉和汽轮机的许多部件，包括锅炉管、连箱、管道、汽缸、叶片和转子等。工业生产过程中，加热温度和冷却速率的选择对材料性能有至关重要的影响[1～5]。本文对两种成分的9-12Cr%马氏体耐热钢在升温过程中和降温过程中的相变进行了研究，并对不同降温速率下的组织及硬度进行了检测，得出两种钢的CCT曲线，分析了二者的差异之处，以期为实际生产中产品工艺的制定提供理论依据。

1 试验材料及方法

试验料取自调质后的两种超临界转子轴身部位，经检测两种马氏体耐热钢的化学成分如表1所示。

将试料加工成两种形式的热膨胀试样(分别用于加热过程和冷却过程)，如图1(a)和(b)所示。利用DIL801热膨胀仪依据YB/T5127—1993标准测定两种成分的马氏体耐热钢升温过程中的相变行为，升温速率为2.5℃/min。利用Gleeble 3500热/力模拟试验机测定两种成分的马氏体耐热钢在1 080℃下保温20 min后，分别以1℃/min、2℃/min、5℃/min、10℃/min、20℃/min、40℃/min、60℃/min、120℃/min、300℃/min和600℃/min冷却速率进行冷却时的相变行为。升温所用试样如图1(a)所示，膨胀仪检测试样AB两端的轴向尺寸变化量。降温所用试样如图1(b)所示，膨胀仪检测热电偶位置A处直径方向的尺寸变化量。

表1 两种马氏体耐热钢的成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of two kinds of martensitic heat-resisting steel(mass fraction, %)

(a)测量升温相变所用试样 (b)测量降温相变所用试样 图1 试样Figure 1 The test sample

图2 升温过程中相对膨胀量与温度之间的关系Figure 2 The relation between the relative increase in length and temperature during heating up

将不同冷速下得到的试样从热电偶焊接处沿径向剖开，进行金相组织观察，侵蚀剂为饱和苦味酸+盐酸+酒精溶液，侵蚀时间约30 s。利用Tukon2100B维氏硬度计对不同冷速下的试样进行硬度检测，检测面与金相观察面相同。依据YB/T5128—1993标准绘制两种成分的马氏体耐热钢的CCT曲线。

2 试验结果及分析

2.1 升温曲线

两种试验用钢升温过程中相对膨胀量(实际膨胀量/试样原始长度)与温度之间的关系见图2(a)和(b)。

从图中可以看出，在相变之前，试样的相对膨胀量随着温度的升高呈线性增加。升高到一定温度后，试样不再呈线性膨胀，反而开始出现收缩。随着温度的继续升高，试样的相对膨胀量重新以线性膨胀进行。以相对膨胀量脱离线性膨胀的起点作为相变起点(即AC1温度)，以相对膨胀量重新恢复线性膨胀的起点作为相变结束点(即AC3温度)，由此可以确定材料A的AC1=825℃，AC3=889℃，材料B的AC1=811℃，AC3=932℃。

从试验结果可以看出，材料A和材料B的AC1温度(811℃和825℃)很接近，但是材料B的AC3温度(932℃)要比材料A的AC3温度(889℃)高。这是由于材料B中铁素体形成元素(Cr、W、Mo)的总量要高于材料A，由于此类元素能使A3线上升、缩小奥氏体相区，从而使材料B的AC3温度升高[1]。

2.2 冷却曲线及分析

试样经1 080℃奥氏体化，保温20 min后以不同冷速冷却到室温，得到两种试验用钢的相对收缩量与温度之间的关系如图3和图4。

图3 材料A在不同冷速下的相对收缩量与温度之间的关系Figure 3 The relation between the relative reduction in length and temperature under the different cooling rate in material A

图4 材料B在不同冷速下的相对收缩量与温度之间的关系Figure 4 The relation between the relative reduction in length and temperature under the different cooling rate in material B

(a)2℃/min (b)600℃/min图5 材料A以不同速度进行冷却后的金相组织Figure 5 The metallurgical structure in material A after cooling under the different cooling rate

(a)2℃/min (b)600℃/min图6 材料B以不同速度进行冷却后的金相组织Figure 6 The metallurgical structure in material B after cooling under the different cooling rate

从图中可以看出，冷速较慢时，在高温阶段(950℃以上)，材料A和材料B都发生了相对大的收缩，这一变化可能与高温固溶的合金元素随着温度的降低以碳/氮化物(M(C，N))的形式析出有关[6](由于该类碳/氮化物尺寸较小，无法从图5和图6的金相照片上观察到)。另外，在950～750℃范围内，材料B的相对收缩量与温度之间的关系也不是呈线性关系，这是由于材料B中含有较多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo)，在冷却过程中以合金碳化物(M23C6)形式析出的原因，见图6(a)。

冷速较快时，材料A在马氏体相变之前的相对收缩量与温度之间的关系均呈线性变化，而材料B则是在950℃左右发生了偏离。金相检验结果发现，此时仍有少量碳化物质点析出，见图6(b)，这说明材料B在快速冷却时仍不能得到完全的马氏体组织。

2.3 金相组织

材料A和材料B在不同冷速条件下的金相组织如图5和图6所示。

从图中可以看出，材料A在冷速为(2～600)℃/min条件下均可得到完全的马氏体组织，冷速慢时马氏体板条较为细小；材料B在冷速为(2～600)℃/min条件下得到马氏体+碳化物组织，由图7 X射线衍射谱中可以看出，析出的碳化物主要为M23C6型碳化物。

2.4 维氏硬度

两种材料以不同冷却速度冷却后的维氏硬度值如图8所示。

从图中可以看出，随着冷速的增大，两种材料的维氏硬度值不断增加，但材料B的硬度值要明显高于材料1。这是由于材料B中固溶于基体中较多的合金元素使得其具有更强的淬硬性，另外弥散析出的碳化物也对其硬度有一定的贡献。

图7 材料B以2℃/min冷却时的X射线衍射谱Figure 1 The x-ray diffraction spectrum of material B at cooling rate 2℃/min

2.5 两种材料的CCT曲线

根据标准YB/T5128—1993以及2.1至2.4所测得的结果，绘制出两种合金成分的马氏体耐热钢的CCT曲线，见图9。

从图中可以看出，在本试验的所有冷速下，两种材料中均无铁素体相析出，只是材料B在950～750℃的冷却转变过程中有M23C6型碳化物析出。材料A的马氏体转变温度为398℃，室温组织为马氏体组织；材料B的马氏体转变温度为381℃，室温组织为马氏体+碳化物。

3 结论

(1)材料A和材料B的AC1温度很接近，但是材料B的AC3温度要比材料A的AC3温度高。

(2)材料A在冷速为(2～600)℃/min条件下均可得到完全的马氏体组织；材料B在冷速为(2～600)℃/min条件下得到马氏体+碳化物组织，析出的碳化物主要为M23C6型碳化物。

图8 两种材料以不同冷却速度冷却后的维氏硬度值Figure 8 The Vickers hardness values in two kinds of material after cooling at different cooling rate

图9 两种材料的CCT曲线Figure 9 The CCT curve of two kinds of material

(3)材料B的维氏硬度值比材料A大，主要是由于材料B中较多的合金元素使得其具有更强的淬硬性，另外弥散析出的碳化物也对其硬度有一定的贡献。

(4)材料A的马氏体转变温度为398℃，材料B的马氏体转变温度为381℃。在本试验的所有冷速下，两种材料中均无铁素体相析出。

[1] 王晓敏，工程材料学.机械工业出版社.1999.

[2] 郑隆滨，陈景毅编译.最近锅护高温材料开发动向. 锅炉制造.1997(2).

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[6] 曹金荣，刘正东，程世长，等.T122 耐热钢平衡相转变的热力学计算和分析，特殊钢，2005(6)：26.