回火温度对耐热钢组织和性能的影响

匡成阳， 马煜林， 王辰昱， 何家勇， 鲁 坤

(沈阳大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110044)

含硼新型耐热钢作为9%～12%Cr耐热钢的改进品种，具有良好的抗蠕变性、耐腐蚀性和高温抗氧化性，被广泛使用在火力发电500～650 ℃超超临界热电机的高温和高压组件中[1-3]。其服役时的蒸汽温度和蒸汽压力分别可以达到630 ℃和30 MPa，可以满足目前的使用需要[4]。

硼作为钢中添加的微量合金元素之一，可以改善钢的淬透性等[5]，相比于Cr、Mo、Ni等金属元素，硼具有成本低的优势，且可以显著提高耐热钢中析出相的稳定性，参与部分碳化物析出并延缓蠕变过程中的长大速率。研究发现，在耐热钢中加入微量硼可以提高其抗蠕变性能和延长蠕变断裂时间[6-10]，Abe等[11]研究表明，当B含量增加到0.0139%时，高铬耐热钢具有最好的抗蠕变性能。另有研究发现，B能有效降低M23C6碳化物在高温长时间下的粗化速率[7]以及提高M23C6的高温稳定性，这对提高耐热钢的抗蠕变性能和使用寿命是十分有利的。其主要原因是M23C6在蠕变过程中的粗化[12-13]会造成高密度位错的马氏体板条向低密度位错的铁素体演化，导致耐热钢蠕变强度的降低[14-15]。目前，关于耐热钢在回火过程中碳化物的析出行为和演化过程的研究较多，而对不同回火温度下含硼的M23(C,B)6碳化物的析出行为研究较少。本文研究了不同回火温度下耐热钢中析出相的形貌和分布特征，以及其对耐热钢力学性能的影响。

1 试验材料与方法

试验用材料为一种含硼的耐热钢，其主要化学成分如表1所示。从试验钢上切取12 mm×12 mm×140 mm 的长方体试样，先进行1250 ℃保温2 h后取出放入950 ℃盐浴(50%NaCl+50%KCl)保温0.5 h后淬火的预备热处理，然后进行回火处理，回火温度分别为200、300、400、450、500、550、600和650 ℃，保温2 h 后炉冷。

表1 试验钢的主要化学成分(质量分数，%)Table 1 Main chemical composition of the tested steel (mass fraction,%)

金相试样待测面经打磨抛光后采用FeCl3+HCl+乙醇(质量比1∶5∶5)的混合液腐蚀45 s，然后在MDJ-DM320型光学显微镜(OM)下观察组织形貌，并用S-4800型扫描电镜(SEM)进行微观组织和析出相形态及大小分析。采用带有双倾杆的JEM-2100F型高分辨透射电镜(TEM)对试验钢中细小析出相进行观察，透射试样在双喷电解减薄仪上进行双喷减薄，电解液为8%高氯酸(体积分数)+冰醋酸溶液。将热处理后的试样加工成标准拉伸试样，室温拉伸试验在SANS型万能试验机上进行，拉伸试样平行段直径为φ5 mm，拉伸速度为0.3 mm/min，检测方法按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》执行，保留拉伸断口并进行扫描电镜观察。采用THBS-3000E型布氏硬度计测量不同温度回火后的硬度。

2 试验结果与分析

2.1 回火温度对微观组织的影响

图1为试验钢经200～650 ℃回火后的OM照片，可以看出，不同温度回火后耐热钢基体的组织均为板条状回火马氏体，且随着回火温度的升高，板条马氏体发生粗化，逐渐变宽。

图1 不同温度回火后试验钢的OM图像Fig.1 OM images of the tested steel after tempering at different temperatures(a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 450 ℃; (e) 500 ℃; (f) 550 ℃; (g) 600 ℃; (h) 650 ℃

图2为试验钢经200～650 ℃回火后的SEM图像。可以看出，不同回火温度下均有析出相析出，分布在原奥氏体晶粒内和晶界处。通过对比观察可以发现，随着回火温度的升高，析出相有所长大，在回火温度为200 ℃时，析出相数量非常稀少，当回火温度增加到300 ℃时，析出相有长大的趋势，且形态为针状，在400 ℃及450 ℃回火时，析出相的尺寸更大且数量更多，形貌仍为针状，这种针状析出相为Fe3C型碳化物。当回火温度到达500 ℃时，析出相数量降低且出现块状形态，此时为针状和块状析出相共存的状态。当回火温度高于550 ℃时，基体中的析出相基本全部转变为块状，且析出相数量更多，这种块状碳化物为M23C6型碳化物[16]，并且由于试样钢中含有硼元素，因此为M23(C,B)6碳化物[17]。

图2 不同温度回火后试验钢的SEM照片Fig.2 SEM images of the tested steel after tempering at different temperatures(a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 450 ℃; (e) 500 ℃; (f) 550 ℃; (g) 600 ℃; (h) 650 ℃

2.2 回火温度对力学性能的影响

对耐热钢经不同温度回火后的硬度进行测试，结果如图3所示。可以看出，随着回火温度的升高，试验钢的硬度呈现先上升后下降的趋势。在200 ℃和300 ℃回火时硬度的差别并不明显，回火温度升高到400 ℃时硬度迅速上升，结合图2的SEM分析结果，400 ℃回火时形成大量的片状碳化物析出，起到了明显的析出强化作用，从而提高了材料的硬度。回火温度在400～500 ℃范围内时，材料的硬度整体维持在较高的水平，这个阶段先是基体中片状碳化物的大量析出，而后为片状碳化物向块状碳化物转变的过程。500 ℃回火的基体中可观察到零散块状碳化物的分布(如图2(e)所示)，通过TEM可观察到此时基体中仍存在大量片状碳化物(如图4所示)。当回火温度高于500 ℃时，材料的硬度急速下降。这是因为在高温回火过程中，大量块状碳化物的析出释放了C和Cr、Mo等固溶元素的含量，降低了晶格畸变能，促进了高密度位错的板条马氏体向低密度位错的多边形铁素体转变，使材料硬度明显下降[16]。

图3 不同温度回火后试验钢的硬度Fig.3 Hardness of the tested steel after tempering at different temperatures

图4 500 ℃回火后试验钢的TEM图像Fig.4 TEM image of the tested steel after tempering at 500 ℃

对耐热钢不同温度回火后的拉伸性能进行测试，结果如图5所示，拉伸断口形貌如图6和图7所示。由图5可以看出，在不同回火温度下的抗拉强度、屈服强度和硬度曲线的走势大致相同，均为先缓慢增加然后急剧下降。随着回火温度逐渐升高到500 ℃，抗拉强度和屈服强度均呈上升趋势，这是因为在较低温度回火时，温度增加能够促进针状碳化物的形成，此时

图5 不同温度回火后试验钢的力学性能Fig.5 Mechanical properties of the tested steel after tempering at different temperatures

图6 不同温度回火后试验钢的拉伸断口宏观形貌Fig.6 Macro morphologies of the tensile fracture of the tested steel after tempering at different temperatures (a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 450 ℃; (e) 500 ℃; (f) 550 ℃; (g) 600 ℃; (h) 650 ℃

图7 不同温度回火后试验钢的拉伸断口微观形貌Fig.7 Micro morphologies of the tensile fracture of the tested steel after tempering at different temperatures (a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 450 ℃; (e) 500 ℃; (f) 550 ℃; (g) 600 ℃; (h) 650 ℃

碳化物尺寸较小，析出强化效果随碳化物数量增加而加大。当回火温度高于500 ℃时，碳化物的形态出现了较大的变化，针状碳化物转变为块状碳化物，并且随着回火温度的增加，块状碳化物的数量明显增多，平均尺寸接近300 nm，严重地弱化了析出强化和固溶强化效果，降低了试样的强度，导致抗拉强度和屈服强度逐渐降低。伸长率整体上是逐渐增加的，但在回火温度低于500 ℃时伸长率较低(<10%)，而当回火温度高于500 ℃时，伸长率有较大幅度的增加，这是高温回火引起的材料强度降低而塑性提高的变化规律。材料的抗拉强度由200 ℃回火的1375 MPa提高到450 ℃回火的最高值1513 MPa；屈服强度是在500 ℃回火时最高为1186 MPa；伸长率由300 ℃回火时的最低值6%增加到550 ℃回火时的12%。

由图6所示耐热钢不同温度回火后的拉伸断口宏观形貌可以看出，回火温度为200～500 ℃时，试验钢断口宏观形貌并无明显差别，断面较平整，符合脆性断裂的特征。回火温度为550～650 ℃时，断口宏观形貌不平整，有明显沟壑和拉伸裂纹特征，说明试验钢的塑性有所增加，与伸长率的变化相符。

由图7所示耐热钢不同温度回火后的拉伸断口微观形貌可以看出，回火温度为200～500 ℃时，试验钢断口微观形貌呈河流花样的特征，为典型的脆性断裂形貌特征。回火温度为550～650 ℃时，断口微观形貌呈韧窝形状，为典型的韧性断裂特征，且随着回火温度的升高，韧窝变得密集。

3 结论

1) 耐热钢经200～650 ℃回火后的组织均为板条状回火马氏体，随着回火温度的升高，板条逐渐变宽。回火温度为200～450 ℃时碳化物为针状，尺寸和数量随回火温度的升高而逐渐增大。回火温度为500 ℃时出现块状碳化物，随回火温度升高至650 ℃，针状碳化物逐渐消失，块状碳化物的尺寸和数量逐渐增大。

2) 200～500 ℃回火时，随回火温度的升高，耐热钢的硬度、抗拉强度和屈服强度大致呈上升趋势，伸长率变化不大。回火温度继续升高时，硬度、抗拉强度和屈服强度下降明显，而伸长率有较大幅度的增加。

3) 200～500 ℃回火时，耐热钢的拉伸断口呈脆性断裂特征，随回火温度的继续升高至650 ℃，耐热钢由脆性断裂转变为韧性断裂，断口由河流花样逐渐变为韧窝形貌。