高温载荷作用下20G钢的性能及显微组织演变

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(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏省极端承压装备设计与制造重点实验室，南京 211816)

0 引 言

虽然目前核能、风能和太阳能发电量在总发电量中的比例不断提高，但火电装机容量仍是电力总装机容量的主体[1]，占比超过60%[2]。锅炉是火力发电系统中的一种承压特种设备，长期服役于高温高压等恶劣环境中，因此维护其正常运转，防止事故发生具有十分重要的意义[3]。有统计表明，火力发电厂中因锅炉引起的非计划停车占到总停车数的60%以上，而其中因“锅炉四管”失效引起的约占80%[4]。目前，已有大量文献[5-14]报道了锅炉水冷壁管的超温失效案例，并对失效原因进行了分析；但均仅局限于查明超温原因，而由于材料原始性能数据的匮乏，无法对超温的温度范围或者超温持续的时间进行详细分析。

20G钢是目前锅炉水冷壁管最常用的一种钢材。水冷壁管服役温度在320 ℃左右，最高服役温度为480 ℃，超过此温度即视为超温；而在实际服役过程中存在很多导致炉管温度升高的因素，水冷壁管的实际服役温度有很大概率会超过最高服役温度。因此，研究20G钢在不同温度下尤其是超温下组织与性能的变化规律显得非常重要。就目前公开发表的资料可知，20G钢的力学性能测试温度最高仅为550 ℃[15]，在更高温度下的力学性能及蠕变性能数据均比较匮乏。

为了完善水冷壁管的基础性能数据，作者测试了20G钢在不同温度(常温至850 ℃)下的拉伸性能，并对该钢同步进行了应力为62 MPa、温度为550～850 ℃的蠕变试验以及未施加应力的时效试验，研究了蠕变和时效后的显微组织及蠕变性能。

1 试样制备与试验方法

试验材料取自已服役5×104h的规格为φ60 mm×5 mm的20G钢管。试验钢的显微组织如图1所示，可见珠光体中的碳化物呈片状结构，仍保持原始态组织形貌，并未发生球化，根据DL/T 674-1999，球化评级为1级；其化学成分(质量分数/%)为0.232C，0.284Si，0.50Mn，0.021P，0.029S，0.014Cr，0.001V，余Fe。

在试验钢管上沿管轴线方向截取尺寸如图2所示的试样。按照GB/T 228.2-2015，在Instron5689型万能试验机上进行拉伸试验，温度为常温至850 ℃。拉伸时采用两段控制，先由应变控制，应变速率为1×10-3s-1，以便测得试验钢的屈服强度；当应变达到2%时，转由位移控制，拉伸速度为0.5 mm·min-1。按照GB/T 2039-2012，在CSS-3905型电子式蠕变试验机上进行蠕变试验，蠕变应力设定为62 MPa，与水冷壁管的最大工作应力一致，试验温度为550～850 ℃。时效试验与蠕变试验在相同蠕变装置中同时进行，时效时间即为蠕变断裂时间，试样尺寸与蠕变试样的相同。

图1 试验钢的显微组织Fig.1 Microstructure of tested steel: (a) at low magnification and (b) at high magnification

图2 拉伸和蠕变试样尺寸Fig.2 Dimensions of tensile (a) and creep (b) specimens

在时效和蠕变后的试样上截取金相试样，经机械研磨及抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用AXIO Imager.Aim型光学显微镜(OM)观察显微组织。为了更加直观地表征珠光体的球化状况，将珠光体颗粒纵横比小于2时定义为完全球化[16]，统计相同视场范围内显微组织中的珠光体颗粒数，计算其球化率。采用Phenom prox型扫描电子显微镜(SEM)观察时效及蠕变后试样的微观形貌与断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可以看出：在不同温度下同步进行时效和施加62 MPa应力的蠕变后，试验钢的显微组织均主要由铁素体和少量珠光体组成；在550 ℃时效754.75 h后，试验钢中的珠光体已经出现球化现象，但仍以片状为主，而在550 ℃蠕变后，片状结构消失，珠光体主要为球状；在750 ℃时效0.18 h后，碳化物主要沿铁素体晶界呈弥散分布，珠光体与铁素体的边界不明显，在750 ℃蠕变后，沿晶界仍可见少量珠光体组织。

在相同体积下片状碳化物的表面能远高于球状碳化物的，因此片状碳化物有向球状自发转变的趋势。试验钢的Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)为722 ℃，在Ac1附近保温过程中，片状碳化物会发生球化。550 ℃的时效温度比Ac1低172 ℃，且时效时间也不够长，因此组织中仍存在片状珠光体，而在相同温度蠕变后，珠光体球化现象更明显，说明施加一定的应力能促进珠光体的球化。在750 ℃下试验钢会发生奥氏体相变[17]，但因时效和蠕变时间很短，不足以使组织中的珠光体完全奥氏体化，且在冷却过程中，少量奥氏体又会转变为珠光体，因此试验钢中仍可见珠光体组织。

图3 在不同温度时效和蠕变后试验钢的显微组织Fig.3 Microstructures of tested steel after aging (a, c) and creeping (b, d) at different temperatures

图4 时效和蠕变后试验钢中珠光体的球化率随温度的变化曲线Fig.4 Spheroidization rate vs temperature curves of tested steel after aging and creeping

由图4可以看出：随着温度的升高，珠光体球化率增大；蠕变后试验钢的球化率明显高于时效处理试验钢的，且球化率随温度升高而增大的速率也明显高于时效处理试验钢的。由此可见，应力作用可明显加快珠光体的球化，这与王运炎等[18]的研究结果一致。

珠光体在服役温度下的球化是一个自发的过程，其驱动力是局部平衡碳浓度梯度，转化过程依靠原子扩散而进行,扩散过程主要由温度和应力决定。温度越高、应力越大，碳原子扩散得越快，珠光体球化现象越严重。

在温度的作用下，珠光体片层状结构发生破断，破断碳化物尖角或凸出处发生溶解，由于碳的扩散，在较平直的部位向外长大形成球状碳化物[19]。在应力作用下，片状碳化物内产生了更多的亚晶界，导致碳化物进一步破断和溶解[20],因此应力作用会加快珠光体的球化。

图5 试验钢的拉伸性能随温度的变化曲线Fig.5 Curves of tensile properties vs temperature for tested steel:(a) strength vs temperature and (b) elongation vs temperature

2.2 拉伸性能

图5中Rm为抗拉强度，Rp为屈服强度。由图5可以看出：试验钢的抗拉强度随温度的升高先略有降低，在温度高于100 ℃后又明显增大，在200 ℃达到峰值(533 MPa)后，又呈近似线性快速降低趋势，而屈服强度呈近似线性下降趋势，抗拉强度的下降速率大于屈服强度的；伸长率则先降低后增大，在500 ℃时达到峰值(54%)，随后又呈波动性下降。

试验钢在200 ℃附近出现的抗拉强度增大而塑性降低的现象被称为蓝脆，这是因为在该温度附近已开动的位错被碳、氮原子钉扎，为了使变形继续进行，钢中必须开动新的位错，使得给定应变下的位错密度增高，从而导致强度升高而塑韧性降低[21]。当温度高于350 ℃时，试验钢发生球化损伤，珠光体中的碳化物由片层状逐渐变为球状，细小的碳化物在晶内和晶界析出，聚集长大形成颗粒状碳化物，导致强度降低，伸长率升高；此外，温度的升高还提高了晶界活性，使得晶界强度降低，原子扩散速率增大，变形机制由以晶粒变形为主变为以晶界滑移为主，导致拉伸性能发生变化[22]。当温度升高到Ac1时，试验钢组织发生奥氏体化且晶粒不断长大，变形过程中相变诱导塑性效应弱化，最终导致伸长率下降[23]。

2.3 蠕变性能

由图6可以看出：在550 ℃蠕变时试验钢的蠕变曲线变化较为平缓，其第二阶段蠕变速率特征不明显，蠕变断裂时间约为750 h；当温度升高到600 ℃时，试验钢的蠕变直接进入第三阶段，蠕变断裂时间很短；当温度为650～850 ℃时，蠕变断裂时间均非常短(3～15 min)，蠕变曲线几乎重合。

图6 不同温度下试验钢的蠕变曲线Fig.6 Creep curves of tested steel at different temperatures

由图7可以看出：试验钢的蠕变断裂时间随温度升高先快速下降后趋于稳定，蠕变断裂时间(即持久寿命)呈指数形式下降[24]。

图7 试验钢的蠕变断裂时间随温度的变化曲线Fig.7 Creep fracture time vs temperature curve of tested steel

由图8可见：550 ℃蠕变后试验钢断口边缘位置出现大量孔洞，放大后可知孔洞出现在三叉晶界位置，呈现出楔形裂纹特征；而650 ℃下由于蠕变断裂时间短，试验钢断口边缘位置几乎没有孔洞，呈现出拉伸断裂特征。

高温蠕变损伤机理与应力水平密切相关，在低应力，即0.2Rp～0.4Rp时为晶界蠕变孔洞形核控制损伤[25-26]，在高应力，即0.4Rp～0.5Rp时则为塑性控制损伤[27-28]。在550 ℃时，试验钢的屈服强度为150 MPa，蠕变试验时的应力为62 MPa，约为0.4Rp，因此其蠕变损伤由晶界蠕变孔洞形核控制，蠕变断口边缘出现了大量孔洞；在650 ℃时试验钢的屈服强度为107 MPa，蠕变时的应力大于0.4Rp，因此其蠕变损伤遵循塑性损伤机理，蠕变断口上观察不到明显的蠕变孔洞。

3 结 论

(1)在550 ℃时效后，试验钢中的珠光体主要为片状结构，少量呈球状，而在550 ℃、62 MPa下蠕变后，珠光体主要为球状，应力对珠光体的球化起到了促进作用；在750 ℃时效或750 ℃、62 MPa蠕变后，试验钢中存在少量珠光体。

图8 不同温度蠕变后试验钢断口的SEM形貌Fig.8 SEM images showing fracture of tested steel after creeping at different temperatures: (a) 550 ℃, at low magnification;(b) 550 ℃, at high magnification and (c) 650 ℃

(2) 随温度的升高，试验钢的抗拉强度先略有减小后增大，在200 ℃达到峰值(533 MPa)后,又快速下降，屈服强度则呈近似线性下降趋势；伸长率先降低后增大，在500 ℃达到峰值(54%)后，又呈波动性下降。

(3) 随温度的升高，试验钢的蠕变断裂时间先急剧降低后趋于稳定；在550 ℃下蠕变后，试验钢的断口边缘存在大量孔洞，蠕变断裂受晶界蠕变孔洞形核控制，在650 ℃蠕变时，蠕变断裂遵循塑性损伤机制。

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