預(yù)變形量對(duì)SUPER304H鋼管性能的影響

楊華春，楊小川，楊金炳，于明明，賴仙紅

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，自貢 643001）

0 引 言

SUPER304H鋼是由日本住友金屬株式會(huì)社在ASME SA-213TP304H鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低錳含量上限，加入約3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的銅、約0.45%的鈮和一定量的氮而開發(fā)出的，目的是使其在服役時(shí)產(chǎn)生微細(xì)彌散、沉淀于奧氏體內(nèi)的富銅相，并與基體緊密結(jié)合，該富銅相能與NbC、NbN、NbCrN、M23C6一起產(chǎn)生極佳的強(qiáng)化作用。該鋼具有較好的抗腐蝕性和抗氧化性，目前已得到ASME code case 2328-1批準(zhǔn)，并納入了 ASME SA-213M-2010標(biāo)準(zhǔn)，其UNS（金屬和合金的統(tǒng)一編號(hào)系統(tǒng)）代號(hào)為S30432。十余年來(lái)，該鋼在國(guó)內(nèi)外燃煤電站得到了廣泛應(yīng)用，常作為蒸汽溫度為600℃左右的超（超）臨界鍋爐過(guò)熱器和再熱器管用材。

為給該鋼的應(yīng)用提供相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量研究，特別是其在高溫應(yīng)用下的各種重要性能，如高溫抗氧化性和抗腐蝕性［1－2］、時(shí)效穩(wěn)定性［3－6］等。然而，這些研究多是基于未預(yù)變形鋼進(jìn)行的，有關(guān)其經(jīng)歷一定預(yù)變形后的試驗(yàn)研究較少，或者即便有預(yù)變形但時(shí)效時(shí)間也很短［7－8］。

實(shí)際上，在制造鍋爐過(guò)熱器和再熱器管束時(shí)，鋼管的部分區(qū)域需經(jīng)受不同程度的彎曲變形，而這些彎管在爐內(nèi)使用時(shí)與直管段承受的工況相同，即長(zhǎng)期在高溫、承壓下運(yùn)行。直管段為固溶狀態(tài)，而彎管段則在固溶的基礎(chǔ)上經(jīng)歷了一定變形。高溫承壓運(yùn)行對(duì)彎管性能的影響如何，彎管段的固溶處理工藝等都是值得研究的問(wèn)題。雖然 ASME code case 2328-1中對(duì)SUPER304H鋼管彎曲后的固溶處理推薦參照TP347H鋼管，即彎管預(yù)變形量大于15%（對(duì)應(yīng)相對(duì)彎曲半徑不大于3.3倍管徑）時(shí)需重新固溶；但由于過(guò)多重新固溶處理將會(huì)對(duì)鍋爐的制造工藝、制造周期及成本等造成重大影響，因而有必要對(duì)其變形后的高溫性能進(jìn)行相應(yīng)的研究，為完善制造工藝提供指導(dǎo)。

鑒于管子彎曲后，彎管段無(wú)法切取試樣，所以作者通過(guò)拉伸對(duì)直鋼管進(jìn)行預(yù)變形，用以模擬彎管，之后對(duì)其在700℃進(jìn)行時(shí)效處理，并結(jié)合微觀形貌分析來(lái)研究預(yù)變形量對(duì)鋼管性能的影響，以期為今后的規(guī)范編制、工藝完善提供技術(shù)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為日本住友生產(chǎn)的φ45mm×8.1mm的SUPER304H鋼管，狀態(tài)為固溶處理態(tài)，化學(xué)成分見表1。對(duì)其分別進(jìn)行0，15%，20%的拉伸預(yù)變形，然后取一部分在700℃進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)間分別為100，1 000，5 000h。拉伸后的鋼管記為變形鋼管，時(shí)效處理后的鋼管記為時(shí)效鋼管。

按ASMESA-370標(biāo)準(zhǔn)要求制備硬度試樣，用

表1 試驗(yàn)用SUPER304H鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of tested SUPER304Htube（mass） %

HW187.5型布洛維硬度計(jì)測(cè)管段截面上的洛氏硬度；分 別 按 ASME SA-370、ASTME 8 制 備φ6.25mm的室溫拉伸和短時(shí)高溫拉伸試樣，并采用AG-250KNE型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)依據(jù) ASME SA－370、ASTME21進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試以及700℃短時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)；按GB/T 2039－1997《金屬高溫蠕變及持久強(qiáng)度試驗(yàn)方法》制備φ5.0mm的持久試樣，并采用RC-1130型持久試驗(yàn)機(jī)對(duì)變形鋼管進(jìn)行驗(yàn)證性持久試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為700℃，應(yīng)力水平為110MPa，并與住友原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；采用JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微組織，腐蝕液為三氯化鐵鹽酸溶液（由5g FeCl3、50mL HCl、100mL H2O 組成）；用線切割切取厚度約0.5mm的薄片，經(jīng)1000＃水砂紙磨至100μm，最終用雙噴電解減薄制備透射電鏡（TEM）用試樣，電解液為10%（體積分?jǐn)?shù)）高氯酸乙醇溶液，電壓50V，溫度－10℃，采用JEM-3010型高分辨透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行顯微分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)力學(xué)性能的影響

從表2可看出，預(yù)變形量對(duì)變形鋼管的斷面收縮率基本無(wú)影響；另外，隨著預(yù)變形量從0增加到15%，變形鋼管的室溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度均大幅提高，而且屈服強(qiáng)度的提高更為明顯，斷后伸長(zhǎng)率雖然下降較多，但仍維持在較高水平；當(dāng)預(yù)變形量從15%進(jìn)一步增加到20%時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度仍繼續(xù)增大，斷后伸長(zhǎng)率繼續(xù)下降（仍有一定塑性），但這種變化趨勢(shì)已大大趨緩。高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)與此類似。這是因?yàn)镾UPER304H鋼管為奧氏體型耐熱鋼，其原始組織為奧氏體，塑性非常高。變形后，在奧氏體晶粒內(nèi)出現(xiàn)了大量位錯(cuò)、孿晶，從而出現(xiàn)了形變強(qiáng)化效果［9］，故經(jīng)15%變形后的鋼管較未變形鋼管的強(qiáng)度出現(xiàn)了較大提升；但當(dāng)預(yù)變形量進(jìn)一步增加到20%時(shí)，因?yàn)槲诲e(cuò)、孿晶的密度已無(wú)法進(jìn)一步大幅提高，因此20%的預(yù)變形量并不能進(jìn)一步大幅強(qiáng)化鋼管，這可從圖1所示的兩種預(yù)變形量下的TEM形貌沒有明顯區(qū)別得到證實(shí)，故其強(qiáng)度與硬度、斷后伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)減緩。

表3的結(jié)果表明，與預(yù)變形量為0的時(shí)效鋼管相比，變形量為15%和20%的時(shí)效鋼管的硬度雖然增加較多（對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度也提高不少），但硬度與時(shí)效時(shí)間的關(guān)聯(lián)度卻不大。從鋼管的硬度變化來(lái)看，硬度的高低主要與是其否變形有關(guān)，即時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)并未明顯改變其硬度，這可能與5 000h的時(shí)效處理對(duì)變形鋼管未起到十分明顯的回復(fù)作用、以及第二相在晶內(nèi)彌散析出有關(guān)。另外，并未觀察到文獻(xiàn)［8］中提到的蠕變?cè)囼?yàn)中先發(fā)生強(qiáng)化后發(fā)生軟化的現(xiàn)象，這很可能與本試驗(yàn)所用時(shí)效時(shí)間較長(zhǎng)（文獻(xiàn)［8］中的時(shí)效時(shí)間很短）有關(guān)，因?yàn)樵诓煌瑫r(shí)間段內(nèi)第二相析出物的尺寸、形態(tài)有差異，從而導(dǎo)致對(duì)性能的影響不同。

表2 不同預(yù)變形量SUPER304H鋼管的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of different pre-deformed SUPER304Htubes

圖1 不同預(yù)變形量鋼管的TEM形貌Fig.1 TEMmorphology of different pre-deformed tubes with 15% （a）and 20%（b）pre-deformation

表3 不同預(yù)變形量鋼管時(shí)效不同時(shí)間后的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of different pre-deformated tubes after aging for different time

對(duì)比表2與表3的短時(shí)高溫性能可以發(fā)現(xiàn)，5 000h的時(shí)效使未變形鋼管的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度和塑性下降，但未使屈服強(qiáng)度明顯降低；5 000h的時(shí)效使變形鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度同時(shí)下降，而且塑性有所上升（但并不明顯）。之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，與鋼管時(shí)效前的原始組織（固溶后的組織為過(guò)飽和奧氏體、變形后的組織不穩(wěn)定，在一定條件下不穩(wěn)定的組織會(huì)不斷地形成一些新相）以及高溫下引發(fā)的原子擴(kuò)散導(dǎo)致組織發(fā)生細(xì)微變化有關(guān)。對(duì)于未變形的鋼管，其原始組織為少量的未溶第二相以及等軸奧氏體，在高溫長(zhǎng)時(shí)時(shí)效過(guò)程中，不斷有第二相在奧氏體晶界和晶粒內(nèi)析出、聚集、長(zhǎng)大［3－4］，且有明顯沿晶界析出的粗大網(wǎng)狀第二相，如圖2（a）所示，造成固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)有所弱化，故而出現(xiàn)短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度和塑性下降的現(xiàn)象。而未變形鋼管的屈服強(qiáng)度原本就十分低，組織的這種變化對(duì)屈服強(qiáng)度的影響不明顯。而對(duì)于變形并經(jīng)時(shí)效處理的鋼管而言，變形之后形成的大量能量較高的晶體缺陷可作為第二相的析出核心，在高溫時(shí)效的原子擴(kuò)散作用下促進(jìn)了第二相的早期快速?gòu)浬⑿魏宋龀觯?jīng)5 000h時(shí)效后，由于能量較高、第二相聚集長(zhǎng)大，這自然會(huì)引發(fā)屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度同時(shí)下降；變形后鋼管的塑性較低，時(shí)效處理后的回復(fù)并不明顯，故仍保持有明顯的塑性變形跡象，如圖2（b～c）所示。

綜上可知，該鋼管具有較好的變形能力，且經(jīng)過(guò)一定程度變形及時(shí)效后仍具有一定的塑性。

2.2 對(duì)持久性能的影響

圖2 不同預(yù)變形量鋼管時(shí)效5 000h后的SEM形貌Fig.2 SEMmorphology of different deformed tubes after aging for 5 000h

圖3 不同預(yù)變形量鋼管的700℃持久性能驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Creep rupture proof test results of different pre-deformation tube at 700 ℃

從圖3可以看出，變形鋼管的持久性能驗(yàn)證性試驗(yàn)數(shù)據(jù)略低于住友公司持久數(shù)據(jù)的回歸線，但處于住友試驗(yàn)數(shù)據(jù)的下分散帶之上，這說(shuō)明試驗(yàn)所選擇的預(yù)變形量對(duì)鋼管的持久性能有一定影響，但比較有限。這可從圖4的SEM形貌得到佐證，在110MPa應(yīng)力下，未變形、預(yù)變形量為15%，20%鋼管的斷裂形貌相似，均為沿奧氏體晶界以塊狀或條狀析出的第二相，以及在奧氏體晶粒內(nèi)部析出的細(xì)小第二相，特別是晶界上第二相尺寸的差異也不是十分明顯，晶界處形成孔洞。這表明無(wú)論鋼管是否經(jīng)歷了變形，其在持久試驗(yàn)的蠕變過(guò)程中，微觀演化規(guī)律基本相同。

另外，由圖5（a）可以看出，即便是20%預(yù)變形量、110MPa應(yīng)力下持久斷裂的試樣，其晶內(nèi)的富銅相粒子也十分細(xì)小，其尺寸為10～40nm，與經(jīng)15%及20%預(yù)變形量、時(shí)效5 000h試樣的晶內(nèi)粒子尺寸相近，如圖5（b～c）所示。這表明晶內(nèi)細(xì)小第二相的穩(wěn)定性相當(dāng)高，這種細(xì)小粒子對(duì)鋼管的強(qiáng)度很有益處［1］。

圖4 不同預(yù)變形量鋼管在110MPa應(yīng)力下持久斷口附近的SEM形貌Fig.4 SEMmorphology near creep ruptured fracuture of different pre-deformed tubes at strain of 110MPa

圖5 持久試樣和時(shí)效試樣晶內(nèi)第二相的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of second phases in grains of different samples：（a）pre-deformation of 20%，creep rupture sample，fracture after 6 913h；（b）pre-deformation of 20%，aging for 5 000hand（c）pre-deformation of 15%，aging for 5 000h

3 結(jié) 論

（1）隨預(yù)變形量的增加，變形SUPER304H鋼管的強(qiáng)度、硬度均提高，塑性下降較多，但仍有一定塑性。

（2）時(shí)效后SUPER304H鋼管硬度的變化主要與預(yù)變形量有關(guān)，而與時(shí)效時(shí)間無(wú)關(guān)；時(shí)效會(huì)降低變形鋼管的短時(shí)高溫拉伸強(qiáng)度。

（3）試驗(yàn)條件下的預(yù)變形量對(duì)SUPER304H鋼管的高溫持久性能有一定影響，但有限。

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