加热温度对护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N微观组织演变和断口断裂机制影响的研究
2014-10-25王辉亭任涛林文道维候世璞高秀玲李文君戚彩梦
王辉亭，任涛林，文道维，候世璞，刘 毅，高秀玲，李文君，霍 岩，戚彩梦
加热温度对护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N微观组织演变和断口断裂机制影响的研究
王辉亭，任涛林，文道维，候世璞，刘 毅，高秀玲，李文君，霍 岩，戚彩梦
（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）
本文利用金相显微镜和高分辨扫描电子显微镜研究了护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在不同加热温度下的微观组织和拉伸断口形式的演变规律，为护环的热装配工艺提供了可靠的理论和试验根据。
奥氏体不锈钢；微观组织；断裂机制
0 前言
护环是汽轮发电机上的大型关键受力部件，目的是防止电机转子两端的线圈在高速旋转过程中受到离心力的作用向外飞出，通常是通过感应圈或火焰加热直接热装配在转子上。目前，护环用材料为无磁性奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N[1~3]。在加热过程中，由于加热温度和保温时间的处理不当，会造成护环钢组织和性能的变化。本文系统地研究护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在不同温度下的微观组织、断裂机制的变化规律，为护环的安全运行提供可靠的理论和实验依据。
1 试验材料与方法
试样用材料取自德阳万鑫电站产品开发有限公司生产护环的切向部位，利用红外碳硫仪（型号CS800）、等离子光谱仪（ICAP6300）和直读光谱仪（型号 Metal 75-80）测得各主要元素的含量，见表1。
分别将试样随炉（型号 SGH28-92A 箱式电阻炉）加热到300℃、400℃、500℃和550℃，并保温1h和2 h，空冷。金相试样需要经过200目砂纸粗磨、400目砂纸粗磨和600目砂纸细磨，再使用颗粒尺度为1~2.5μm的金刚石喷雾剂进行机械抛光，用王水腐蚀得到，最后在金相显微镜（型号OLYMPUS-PMG3）观察。高分辨扫描电镜（型号HITACHI S-300N）的样品制备同金相样品制备方法相近，采用背散射电子显微组织观察。断口形貌由高分辨扫描电镜（型号HITACHI S-300N）观察。拉伸试验是在万能电子拉伸机上进行（型号SHIMADZU AG-I），根据标准的要求拉伸时的温度为100℃。
表1 各主要元素含量
2 试验结果及分析
如图1所示为从护环上直接切取试样的原始金相照片。从图1可以看出，晶粒的尺度大约为100μm，由于护环经历了大量的冷变形，因此晶粒内存在一些孪晶。图2~4分别为1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢加热到300℃、400℃和500℃分别保温1h和2h空冷后的金相组织。图5为1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢加热到550℃，分别保温0.5h、1h、1.5h、2h、4h和8h空冷后的金相组织；图6加热到550℃保温1.5h空冷的SEM图。从图2~4可以看出，在300℃、400℃和500℃下加热，随着加热时间的延长，晶粒的尺度大约为80~100μm，晶粒度大约为3~4级之间，晶粒的尺度没有发生明显的变化，但是晶粒内的滑移线逐渐地减少，这说明随着保温时间的延长，晶粒内部的位错在减少，晶粒可能出现了一定程度的回复，晶间没有碳化物的析出。从图4可以看出，随着保温时间的延长，滑移线在逐渐地减少；但是晶粒间的析出物逐渐增多，析出物形态呈颗粒状，沿晶界以链条状连续分布，即第二相的析出过程为先以颗粒的状态在晶界析出，随着温度的升高和保温时间的延长，第二相析出物的量会逐渐增大并以链条状的形态沿着晶界析出。通过对试样加热到550℃保温1.5h后进行高分辨扫描和特定区域的能谱分析可知（如表2所示），在高分辨扫描电镜下，基体与晶界的衬度不同，晶界处呈亮白色，说明晶界的成分与基体不同，通过对晶界的能谱分析可以发现，晶界处的C的含量比原始的试样成分高，说明在晶界处析出含碳的化合物。
表2 晶间析出物的成分分析
图1 护环钢1Mn18Cr8N的原始晶粒
（a） 保温1h
（b） 保温2h
图2 加热到300℃分别保温1h和2h
（a） 保温1h
（b） 保温2h
图3 加热到400℃分别保温1h和2h
如图7~10所示分别为300℃、400℃、500℃和550℃保温1h和2h后在100℃进行试验的拉伸试样宏观和微观断口。
（a） 保温1h
（b） 保温2h
图4 加热到500℃分别保温1h和2h
从图7可以看出试样经过300℃保温1h和2h在100℃进行拉伸后，试样宏观断口凸凹不平，断口的周围较为平齐，平齐断口与主应力方向成30°~45°，内部存在一些微空洞，说明断裂是由微孔洞的聚集长大引起的，断裂机制属于韧窝+微小空洞。
（a） 保温0.5h
（b） 保温1h
（c） 保温1.5h
（d） 保温2h
（e） 保温4h
（f） 保温8h
图5 加热到550℃分别保温0.5h、1h、1.5h、2h、4h和8h
图6 加热到550℃保温1.5h的SEM图
从图8可以看出试样经过400℃保温1h和2h在100℃进行拉伸后，试样断口凸凹不平，内部存在大量的微空洞，说明断裂是由微孔洞的聚集长大引起的，断裂机制属于韧窝+微小空洞。
（a） 300℃保温1h后的拉伸宏观断口
（b） 300℃保温2h后的拉伸微观断口
（c） 300℃保温1h后的拉伸宏观断口
（d） 400℃保温2h后的拉伸微观断口
图7 300℃保温1h和2h后在100℃进行试验的拉伸试样断口
从图9可以看出，试样经过500℃保温1h和2h在100℃进行拉伸后，宏观断口的周围部分较平齐，与主应力方向夹角只有大约5°，从微观断口图片可以看出，断口形貌由大量的舌状花纹组成，这说明断裂机制为解理断裂。
（a） 400℃保温1h后的拉伸宏观断口
（b） 400℃保温2h后的拉伸微观断口
（c） 400℃保温1h后的拉伸宏观断口
（d） 400℃保温2h后的拉伸微观断口
图8 400℃保温1h和2h后在100℃进行试验的拉伸试样断口
从图10可以看出，试样经过550℃保温1h和2h在100℃进行拉伸后，宏观断口由大量的舌状花纹或河流状花样组成，从微观照片可以看出在舌状花纹之间存在微小裂纹，这说明断裂机制为由解理断裂转化为沿晶脆性断裂。由以上的分析可知，随着温度的升高和保温时间的延长，断裂形式由韧性断裂逐步转化为解理断裂，最后转化为沿晶脆性断裂。
（a） 500℃保温1h后的拉伸宏观断口
（b） 500℃保温2h后的拉伸微观断口
（c） 500℃保温1h后的拉伸宏观断口
（d） 500℃保温2h后的拉伸微观断口
图9 500℃保温1h和2h后在100℃进行试验的拉伸试样断口
（a） 550℃保温1h后的拉伸宏观断口
（b） 550℃保温2h后的拉伸微观断口
（c） 550℃保温1h后的拉伸宏观断口
（d） 550℃保温2h后的拉伸微观断口
图10 550℃保温1h和2h后在100℃进行试验的拉伸试样断口
3 结论
（1）护环钢用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在300℃、400℃和500℃加热时，随着温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒内部的滑移线逐渐减少，晶粒的尺度没有发生明显的变化；
（2）护环钢用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在550℃以上加热会造成晶界处的碳化物以颗粒状析出；随着保温时间的延长，碳化物析出数量增加，断口形式会转变为沿晶脆性断裂，因此在护环的热装配过程中应该避免在此温度以上加热。
[1] 赵俊民. 1Mn18Cr18N钢无磁性护环锻件的试制[J]. 大型铸锻件, 2010, 1: 27-29.
[2] 郭银芳.Mn18Cr18N护环钢多火次热变形微观组织演变的研究[D]. 太原科技大学硕士论文, 2009: 33, 34.
[3] 何文武.大型发电机护环制造关键技术[M].北京:国防工业出版社, 2012: 1-4.
The Influence of Temperature on Microstructural Evolution and Fracture Mechanism of Austenitic Stainless Steel 1Mn18Cr18N Used in Retaining Ring
WANG Huiting, REN Taolin, WEN Daowei, HOU Shipu, LIU Yi, GAO Xiuling, LI Wenjun, HUO Yan, QI Caimeng
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)
The microstructuralevolution and fracture characteristics of austenitic stainless steel used in retaining ring after heat treatment were investigated by OM and SEM, which provides the theoretic and experimental bases for the heat assembly.
austenitic stainless steel; microstructure; fracture mechanism
TM303
A
1000-3983(2014)04-0013-05
2013-11-17
国家“863”课题（2012AA03A502）先进超超临界火电机组关键叶片和护环钢开发。
王辉亭（1974-），1997年毕业于南昌航空工业学院金属材料及热处理专业，2007年毕业于哈尔滨工业大学材料工程专业获工程硕士学位，长期从事水轮机、水轮发电机和汽轮发电机材料的研发和应用工作，高级工程师。
审稿人：过 洁
