T23低合金耐热钢再热裂纹敏感性研究
2020-05-29李世贤朱丽慧周任远柯志刚翟国丽
李世贤 朱丽慧 周任远 柯志刚 翟国丽
(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444； 2.宝钢集团中央研究院，上海 201900)
T23钢是由日本住友金属和三菱重工联合开发的低合金贝氏体耐热钢。T23钢具有较高的持久强度，焊接时焊件无需预热和焊后热处理，其许用应力值高于T22(2.25Cr- 1Mo)钢[1- 2]。T23钢被广泛用于超临界火电机组过热器和再热器及超超临界机组水冷壁等重要零部件。然而据报道，T23钢制造的水冷壁因焊接接头热影响区粗晶区(coarse- grained heat- affected zone, CGHAZ)出现再热裂纹而导致管道爆裂及泄漏，导致火电机组存在极大的安全隐患[3]。因此，研究如何避免T23钢产生再热裂纹具有重要意义。
目前，避免产生再热裂纹的措施主要是改进焊接工艺等。低合金耐热钢的再热裂纹敏感性与合金元素密切相关[4- 6]，改进T23钢的化学成分可从根本上解决再热裂纹敏感性大的问题。文献[6]提出了计算2.25Cr- 1Mo钢产生再热裂纹的临界应力(σCr)的经验公式：
CSr=32C+0.5Cr+Mo+11V
(1)
由式(1)可知：CSr值越大，σCr越小，越容易产生热裂纹，即再热裂纹敏感性越大。所以适当减少碳、钒、铬和钼的含量有可能减小T23钢的再热裂纹敏感性。但目前很少有人从优化成分的角度研究如何减小钢的再热裂纹敏感性。本文研究了4种改进成分的T23钢和原T23钢的再热裂纹敏感性、拉伸性能和显微组织，分析了化学成分影响T23钢再热裂纹敏感性的机制。
1 试验材料与方法
由式(1)可知，碳、铬、钼和钒等元素对钢的再热裂纹敏感性有显著影响。钨和钼在固溶强化方面具有类似的作用，而铌和钒均易于形成MX相，其弥散强化作用相似。本文改进型T23钢是在原T23钢成分的基础上，改变了碳、钨、钼、铬和铌的含量，见表1。试验用钢经锻造、轧制后，进行正火(1 060 ℃×20 min空冷)和回火处理(770 ℃×60 min空冷)。
表1 改进型T23钢和原T23钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the modified and original T23 steels (mass fraction) %
本文采用应变开裂试验(strain- to- fracture, STF)评定焊接接头热影响区粗晶区的再热裂纹敏感性[7]。首先在Gleeble- 3500热力耦合试验机上根据图1热模拟曲线制备焊接接头热影响区粗晶区。比较发现，制备的热影响区粗晶区的晶粒度、组织和硬度与实际焊接接头接近，说明本文采用的模拟曲线能反映焊接的实况。将热模拟试样加工成如图2所示的拉伸试样，然后在Gleeble- 3500热力耦合试验机上进行应变开裂试验，拉伸温度近似实际焊接温度，通常为730 ℃；拉伸速率为0.001 mm/s。采用EPIPHOT300金相显微镜、Zeiss Supra- 40 扫描电镜和JEM- 2010F透射电镜观察应变开裂试验拉伸断裂试样的热影响区粗晶区组织。采用双喷电解减薄方法制备透射电镜试样,电解液采用体积分数为10%的高氯酸酒精溶液。
改进型和原T23钢经正火、回火后，采用WE- 100液压万能材料试验机进行室温拉伸试验。
图1 焊接接头热影响区粗晶区的热模拟曲线和应变开裂试验参数Fig.1 Thermal simulation curve for the coarse- grained heat- affected zone and the strain- to- fracture test parameters
图2 应变开裂试验拉伸试样尺寸Fig.2 Dimensions of tensile specimen for the strain- to- fracture test
2 试验结果
2.1 再热裂纹敏感性
采用应变开裂试验拉伸试样的断面收缩率(Z)评定T23钢的再热裂纹敏感性：Z<5%为极其敏感; 5%
表2 改进型和原T23钢的再热裂纹敏感性比较Table 2 Comparison between susceptibilities of the modified and original T23 steels to reheat cracking
2.2 室温拉伸性能
图3为改进型T23钢和原T23钢的室温拉伸性能。美国工程协会ASME—SA213《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管》规定：室温下，T23钢的屈服强度不低于400 MPa，抗拉强度不低于510 MPa，断后伸长率不低于20%。由图3可见，改进型T23钢的强度和断后伸长率均符合要求。
图3 室温下改进型和原T23钢的屈服强度(a)、抗拉强度(b)和断后伸长率(c)Fig.3 (a) Yield strength, (b) tensile stength, and (c) elongation of the modified and original T23 steels at room- temperature
2.3 显微组织
改进型D钢具有最小的再热裂纹敏感性，故选择D钢的焊接接头热影响区粗晶区组织与原T23钢进行对比，以揭示化学成分影响再热裂纹敏感性的机制。图4为原T23钢和D钢焊接接头热影响区粗晶区的显微组织。
原T23钢和改进型D钢焊接接头热影响区粗晶区组织均主要为粒状贝氏体，见图4(a,b)。晶界和晶内均存在析出相，晶界的析出相较粗大，见图4(c～f)。电子衍射花样标定表明:原T23钢和D钢晶界和晶内较粗大的析出相为FCC结构的M23C6相，而晶内弥散分布的尺寸约几十nm的细小析出相为FCC结构的MX相。与原T23钢相比，D钢中晶内和晶界析出相的数量明显减少，特别是晶界M23C6析出相的数量较少。
3 讨论
再热裂纹的产生是因为焊接接头热影响区粗晶区的晶内强度高于晶界强度，随后在热处理或服役过程中，变形优先发生于晶界，导致沿晶断裂[8- 9]。原T23钢晶界存在大量富铬和钨的M23C6析出相，在晶界附近易产生铬和钨元素的贫化区，进而形成软带，导致晶界强度降低[10]。由于焊后冷却速度较快，部分固溶于基体的碳和钨的固溶强化导致焊接接头热影响区粗晶区晶内强度提高。同时，原T23钢晶内弥散分布的细小MX相的析出强化进一步提高了晶内强度，最终导致原T23钢较易产生再热裂纹。
图4 原T23钢(a、c、e) 和D钢(b、d、f)焊接接头热影响区粗晶区的显微组织Fig.4 Microstructures in CGHAZ of (a,c,e) the T23 steel and(b、d、f)the steel D
由表2可见，改进型T23钢的再热裂纹敏感性均小于原T23钢，这与改进型T23钢的碳含量较低有关。式(1)表明碳对再热裂纹敏感性的影响最大。这是因为：一方面碳固溶于基体强化晶内；另一方面碳易与铬等合金元素结合在晶界形成M23C6，改进型T23钢晶界M23C6析出相的数量明显少于原T23钢(见图4)，合金元素贫化区的减少提高了晶界强度，缩小了改进型T23钢晶内、晶界的强度差，从而减小了再热裂纹敏感性。
D钢的再热裂纹敏感性最小。这是因为D钢中除含碳量较低外，钨和钼的含量也较低，其固溶强化作用小于原T23钢，且D钢的含铌量较低，导致晶内弥散分布的MX相少于原T23钢(见图4)，所以D钢的晶内强度低于原T23钢。此外，D钢晶界上M23C6相的数量较少，(见图4(c,d))，导致晶界上合金元素贫化区较少，改善了晶界强度。最终导致D钢焊接接头热影响区粗晶区的晶内、晶界强度差远小于原T23钢，显著减小了再热裂纹敏感性。
B钢的铬和铌含量与原T23钢相差不大，但其固溶强化元素钼和钨的含量低于原T23钢。由于晶内强度低于原T23钢，最终导致晶内、晶界强度差小于原T23钢，减小了再热裂纹敏感性。尽管C钢中起固溶强化作用的钼的含量增加，导致晶内强度提高，但是由于C钢的碳和铬含量略低于原T23钢，从而提高了晶界强度，同时起析出强化作用的铌的含量降低，降低了晶内强度。最终导致C钢的晶内、晶界强度差小于原T23钢，减小了再热裂纹敏感性。
改进型T23钢中A钢再热裂纹敏感性的改善最不明显。与原T23钢相比，其铬含量较低，晶界强度得到提高。同时，A钢的钼和铌含量略高于原T23钢，其晶内强度也得到提高。但是晶界强度的提高幅度大于晶内强度，A钢的晶内、晶界强度差较原T23钢略有减小，导致其再热裂纹敏感性略有改善。
4 结论
(1)4种改进型T23钢的再热裂纹敏感性均有所减小，并且其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均满足ASME—SA213《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管》的要求。D钢的碳、钨和铌的含量较低，再热裂纹敏感性改善最显著；其抗拉强度和屈服强度也最高，分别为720和637 MPa。
(2)碳、铬、钨、钼和铌元素均影响晶内MX析出相的数量、晶内的固溶强化及晶界M23C6相的数量，从而改变T23钢晶内、晶界的强度差，进而影响再热裂纹敏感性。碳和铬会影响晶界M23C6相的数量从而改变晶界强度，钼和钨会影响固溶强化作用进而改变晶内强度，而铌含量的变化则影响晶内弥散分布的MX相从而改变晶内强度。所以通过优化T23钢的化学成分可减小T23钢的再热裂纹敏感性。
