P92钢高温持久强度试验后组织变化对性能的影响

姜 筠， 朱丽慧， 王延峰

（1.上海大学 材料科学与工程学院，上海200072；2.上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

为提高火力发电机组的热效率、节约能源和减少CO2排放量，国内外日益重视发展超（超）临界火力发电机组.P92钢是在9Cr1MoVNb钢的基础上加W减Mo，同时加入微量的B元素而研制出的铁素体耐热钢，其600℃下的许用应力和持久强度比P91钢提高了近20%［1］，已成为超（超）临界机组的重要用钢之一，主要用于制造主蒸汽管道和锅炉集箱等部件［2］.

国内外学者对P92钢的蠕变性能及蠕变后的微观组织进行了广泛研究［3－8］，结果表明，P92钢在蠕变过程中马氏体发生回复、再结晶，位错密度减小，并逐步出现M23C6碳化物、MX碳氮化物的长大粗化及Laves相的析出，这些因素都会造成P92钢的性能降低，在蠕变的各个阶段，这些因素的影响程度不同，但是哪种因素起主导作用目前尚未达成共识.我国直到2008年仍全部依赖进口P92钢管.近年，内蒙古北方重工业集团有限公司等单位均能生产P92钢管，基本实现了国产化.然而，目前对国产P92钢的持久性能和微观组织的研究还未见报道.

笔者研究了国产P92钢管在600℃下经不同持久断裂时间后显微组织的变化规律，重点研究了析出相的变化规律，并分析了不同阶段组织变化对性能的影响，旨在为减缓P92钢长期服役过程中的性能降低和提高其持久强度提供必要的理论依据.

1 试验材料及方法

试验所用P92钢管由国内某公司提供，化学成分见表1.热处理工艺采用1 070℃淬火3h＋760℃回火4h.在600℃进行持久强度试验，选取断裂时间分别为107h、1 429h、6 063h和6 718h的试样，采用MH－3维氏硬度计测试试样硬度，采用Nikon LV－150金相显微镜（OM）、Hitachi Su－1510扫描电子显微镜（SEM）和JEM－2010F透射电子显微镜（TEM）观察显微组织.

图1 国产P92钢600℃持久试验后的力学性能Fig.1 Properties of P92steel during creep tests at 600℃

表1 国产P92钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of domestic P92steel %

2 结果及分析

2.1 力学性能

图1（a）为国产P92钢600℃持久试验后的强度曲线.在双对数坐标下，P92钢的断裂应力随着断裂时间的延长而减小，断裂应力与断裂时间具有良好的线性关系.

图1（b）为国产P92钢600℃持久试验后的硬度曲线.在持久强度试验过程中，初始阶段P92钢硬度逐渐下降，至1 429h后达到最小值，而后硬度重新上升.当持久试验时间进一步延长至6 063h以后，硬度略有下降.

2.2 供应态和持久强度试验后的显微组织

供应态的国产P92钢具有典型的板条马氏体组织.图2给出了P92钢600℃持久试验前后的SEM二次电子像.由图2可以看出，供应态组织中存在大量的析出相，随着试验时间的延长，原奥氏体晶界上和马氏体板条界上的析出相逐渐聚集长大，至6 063h，可以看出板条界上的析出相尺寸明显增大，进一步试验至6 718h，析出相的变化则不明显.

图3给出了P92钢在600℃持久试验前后的TEM照片.由图3（a）可以看出，供应态下马氏体板条平均宽度约为350nm，亚结构为高密度位错，析出相主要有2种：一种是大量分布在晶界和晶内的棒状或球状析出相，棒状析出相长约100～400nm，宽约30～60nm，平均等效直径约为120nm，能谱显示这种析出相主要是Cr的碳化物，经衍射花样标定为M23C6碳化物；另一种是弥散分布在晶内的细小球形析出相，直径约为30～40nm.微区能谱分析其富V和富Nb，可以认为是MX碳氮化物.

图2 P92钢600℃持久试验前后的SEM二次电子像Fig.2 Secondary SEM electron micrographs of P92before and after creep－rupture tests at 600 ℃

在600℃下试验107h后，基体仍然为板条马氏体，但是平均板条宽度增加到460nm，如图3（b）所示.随着试验时间的延长，板条马氏体会发生回复、再结晶，位错密度下降.M23C6在试验过程中逐渐长大，MX则比较稳定，粗化不明显.除了M23C6和MX外，试验1 429h后在马氏体板条界和晶界还析出金属间化合物 Laves相（Fe，Cr）2（W，Mo），见图3（c）.Laves相形状不规则，尺寸与 M23C6相当.当试验时间延长至6 718h后，Laves相明显粗化，尺寸略大于 M23C6，见图3（d）.

图3 P92钢在600℃持久试验前后的TEM照片Fig.3 TEM micrographs of P92steel before and after creep－rupture tests at 600 ℃

考虑到MX相的尺寸太小，SEM二次电子像（图2）中观察到的析出相大部分为M23C6或Laves相.利用SEM中背散射电子像的衬度差可以区分M23C6和Laves相［4］.Laves相主要含 W 和 Mo元素，原子序数远高于M23C6中的Cr，表现在背散射电子像中更亮.图4为P92钢在600℃持久试验后的背散射电子像.从图4可以看出，供应态不存在Laves相.试验107h后析出相的亮度仍然一致，均为M23C6碳化物.继续试验至1 429h，少量细小的Laves相在原奥氏体晶界和马氏体板条界析出.试验时间进一步延长至6 063h，Laves相逐渐增多，并且长大粗化，可以清晰地看到沿晶界和马氏体板条界分布.

图4 P92钢在600℃持久试验后的背散射电子像Fig.4 SEM back－scattered electron micrographs of P92steel after creep－rupture tests at 600 ℃

结合SEM和TEM的观察结果，统计计算出P92钢在600℃试验过程中3种析出相（M23C6型碳化物、Laves相和MX型碳氮化物）的平均直径，如图5所示.M23C6在试验的早期阶段粗化速度比较快，试验1 429h后粗化速度下降，试验6 063h后平均直径稳定在210nm左右.在供应态中不存在Laves相，试验1 429h后出现少量的Laves相颗粒，直径约为158nm，试验时间从1 429h延长至6 063h，Laves相的数量明显增加，继续试验至6 718h，Laves相的长大速度加快，平均直径达到211nm，说明Laves相开始发生粗化.MX相非常稳定，供应态的平均直径为35nm，试验6 718h后仍然只有40nm.

图5 P92钢在600℃持久试验过程中析出物的尺寸变化Fig.5 Size evolution of precipitates in P92steel during creep test at 600℃

2.3 组织变化与高温持久性能的关系

试验过程中，国产P92钢的性能变化主要与组织变化有关.表2归纳了国产P92钢在600℃持久试验过程中显微组织变化与硬度的对应关系.钢的强度效果主要由3部分组成［9］，即：析出强化、固溶强化和纯基体产生的强度增量.

析出相对强度的贡献σ可以用式（1）表示［6］

式中：G为剪切模量；b为柏氏矢量；f为析出相的体积分数；d为析出相的平均直径.

由式（1）可见，析出相的数量越多，尺寸越小，析出强化作用越大，并且尺寸的影响大于体积分数的影响.

P92钢在600℃持久试验后主要有MX、M23C6和Laves 3种析出相.MX相非常稳定，尽管粗化速率缓慢，但由于是主要的强化相，略微长大就可能使硬度下降.总的来说，试验6 718h后MX相的平均直径只有40nm，仍然具有很好的强化效果.M23C6粗化速率较快，从供应态到试验1 429h，M23C6的平均直径从120nm变为170nm，析出强化效果减弱，造成硬度下降.1 429h后，Laves相开始逐渐析出，由此产生的析出强化作用使硬度重新上升.但是当试验时间延长至6 718h，Laves相很快粗化至211nm，使硬度降低.

固溶强化主要受基体中固溶强化元素含量的影响.固溶强化强度增量σss可以用式（2）表示［10］

式中：w（M）为固溶态的M元素的质量分数；kM为比例系数.

表2 持久试验后国产P92钢显微组织对硬度的影响Tab.2 Effects of microstructure evolution on the hardness of P92steel during creep－rupture tests

由式（2）可见，固溶强化作用的大小与溶质原子的固溶量成正比.P92钢中起固溶强化作用的元素主要是W和Mo，在整个试验过程中，W和Mo逐渐从马氏体基体中析出，使材料中起固溶强化作用的元素含量不断减少.根据Thermo－Calc的热力学计算结果，760℃回火态P92钢的基体中W的质量分数为1.35%，600℃达平衡时 W的质量分数降至0.60%，而 Mo的质量分数从0.27%下降到0.08%.利用式（2）计算可知，试验后 W和Mo产生的固溶强化作用分别为原来的1／2和1／3左右.

纯基体对强度的作用受多个因素的影响.细小的马氏体板条和高密度位错缠绕可以阻止晶粒的长大和变形，提高持久强度.当试验开始107h，板条马氏体快速宽化，位错密度降低，这也是硬度快速下降的原因之一.考虑到整个试验过程中，板条马氏体总是趋向于发生回复、再结晶，位错密度不断下降，对试验过程中P92钢硬度的降低也起一定作用.

3 结 论

（1）国产P92钢在600℃下由于高温应力的作用，将发生以下显微组织变化：板条马氏体回复及再结晶，形成亚晶，板条特征逐渐消失，位错密度降低.W和Mo元素在试验过程中不断从基体中脱溶析出.随着试验时间的延长，M23C6型碳化物逐渐聚集长大.MX型碳氮化物在整个试验过程中非常稳定，粗化速率缓慢.Laves相在持久试验1 429h后形成，试验时间从1 429h延长到6 063h，Laves相大量析出，继续试验至6 718h，Laves相发生粗化.

（2）国产P92钢在600℃下从供应态持久试验至1 429h，由于M23C6的粗化，硬度逐渐下降；继续试验至6 063h，因Laves相大量析出产生的析出强化作用，硬度重新上升.当持久试验时间延长至6 718h，Laves相粗化，使硬度再次下降.此时 MX相仍然保持细小的尺寸，具有较强的强化作用，是P92钢重要的强化相.在整个持久试验过程中，板条马氏体发生的回复、再结晶导致的位错强化减弱，W、Mo从基体的脱溶导致的固溶强化减弱都对硬度下降起一定作用.致谢：感谢上海大学材料分析测试中心在试验过程中给予的帮助.

［1］刘福广，李太江，梁军，等.高温时效对P92钢焊接接头显微组织和力学性能的影响［J］.中国电机工程学报，2011，31（14）：121－126.LIU Fuguang，LI Taijiang，LIANG Jun，et al.Effect of thermal aging on microstructure and mechanical properties of P92steel weld joints［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（14）：121－126.

［2］刘福广，李太江，王彩侠，等.焊后热处理温度对P92钢焊缝显微组织和力学性能的影响［J］.动力工程学报，2011，31（10）：803－808.LIU Fuguang，LI Taijiang，WANG Caixia，et al.Effect of postweld heat treatment temperature on microstructure and mechanical properties of P92weld metal［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（10）：803－808.

［3］HATTESTRAND M，ANDREN H O.Influence of strain on precipitation reactions during creep of an advanced 9%chromium steel［J］.Acta Material，2001，49（12）：2123－2128.

［4］KORCAKOVA L，HALD J，SOMERS M A J .Quantification of Laves phase particle size in 9CrW steel［J］.Materrials Characterization，2001，47（2）：111－117.

［5］LEE J S，ARMAKI H G，MARUYAMA K，et al.Causes of breakdown of creep strength in 9Cr－1.8W－0.5Mo－VNb steel［J］.Materials Science and Engineering A，2006，428（1／2）：270－275.

［6］HALD J.Microstructure and long term creep properties of 9－12%Cr steels［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2008，85（1／2）：30－37.

［7］彭志方，蔡黎胜，彭芳芳，等.P92钢625℃持久性能分段特征与各段中M23C6及Laves相相参数的定量变化研究［J］.金属学报，2010，46（4）：429－434.PENG Zhifang，CAI Lisheng，PENG Fangfang，et al.Study on the multi－segment feature of 625 ℃creep－rupture property and the quatitative change of phase parameters of M23C6and Laves phases in each segment of P92steel［J］.Acta Metallurgica Sinica，2010，46（4）：429－434.

［8］赵强，彭先宽，丛相州，等.P92钢的蠕变行为研究［J］.钢铁，2010，45（9）：82－90.ZHAO Qiang，PENG Xiankuan，CONG Xiangzhou，et al.Study of creep behavior of P92steel［J］.Iron and Steel，2010，45（9）：82－90.

［9］ESMAEILI S，LLOYD D J，POOLE W J.A yield strength model for the Al－Mg－Si－Cu alloy AA6111［J］.Acta Materialia，2003，51（8）：2243－2257.

［10］雍岐龙.钢铁材料中的第二相［M］.北京：冶金工业出版社，2006：6－7.