調(diào)質(zhì)工藝對蒸汽發(fā)生器拉桿用X12Cr13鋼組織和性能的影響

李　筱，尹　嵬，袁　鋼

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心， 山西　太原　030003； 2.太原理工大學(xué)材料學(xué)院，山西　太原　030024）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

調(diào)質(zhì)工藝對蒸汽發(fā)生器拉桿用X12Cr13鋼組織和性能的影響

李筱1，2，尹嵬1，袁鋼1

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心， 山西太原030003； 2.太原理工大學(xué)材料學(xué)院，山西太原030024）

通過試驗(yàn)研究了調(diào)質(zhì)工藝對蒸汽發(fā)生器拉桿用半馬氏體型不銹鋼X12Cr13微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在相同的回火溫度下，隨著淬火溫度的提高，晶粒明顯長大，殘余奧氏體增多，強(qiáng)度先升高后降低，塑性及韌性下降；在相同的淬火溫度下，隨著回火溫度的升高，板條馬氏體形態(tài)減弱，碳化物尺寸增加，而晶粒尺寸變化不大，強(qiáng)度逐漸降低，塑性及韌性不斷升高。

X12Cr13不銹鋼調(diào)質(zhì)處理微觀組織強(qiáng)韌性

蒸汽發(fā)生器是核島內(nèi)的三大設(shè)備之一，是壓水堆核電廠一回路、二回路的邊界，它將反應(yīng)堆內(nèi)載熱劑的熱量傳遞到二回路，使水成為飽和蒸汽，從而推動汽輪機(jī)發(fā)電[1]。蒸汽發(fā)生器拉桿是用于固定U形管束隔板的，可有效防止隔離管板的震動，拉桿材料對核電站的安全可靠運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。由于蒸汽發(fā)生器連接桿是在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下被使用的，因而對制造連接拉桿材料的耐高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗疲勞、抗蠕變性及可加工性提出了嚴(yán)格要求[2]。

蒸汽發(fā)生器屬于核安全一級設(shè)備，RCC-M規(guī)范等級為一級[3]，工況非常惡劣，對材料要求極高。RCC-MM5110中對拉桿用X12Cr13的性能要求見表1。X12Cr13屬于半馬氏體型不銹鋼[4]，即除馬氏體外，組織結(jié)構(gòu)中還含有鐵素體。該鋼種經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇慊鸺盎鼗鹬蠼M織中的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，在提高材料塑、韌性的同時保持了較高的強(qiáng)度。

表1　RCC-MM5110中規(guī)定的鋼棒力學(xué)性能

1　試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為Φ55mm的X12Cr13不銹鋼鋼棒。鋼棒生產(chǎn)工藝流程為：K-OBM-S→LF爐→模鑄→初軋開坯→初軋坯退火→熱軋→退火。試樣化學(xué)成分見表2。

表2　試樣化學(xué)成分　%

淬回火試樣尺寸為Φ55 mm×350 mm。淬火工藝為在淬火溫度保溫1 h并油冷至室溫，淬火溫度為950～990℃。回火工藝為將淬火后的試樣在620～670℃的溫度范圍內(nèi)保溫2 h并油冷至室溫。

采用HB-3000型布氏硬度計(jì)、CMT5105型液壓壓力試驗(yàn)機(jī)、ZBC-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對試樣的硬度、拉力及沖擊性能進(jìn)行檢測；采用德國LEICA DMIRM光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。沖擊試樣為V型缺口。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1淬火溫度對X12Cr13鋼調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能與組織的影響（見下頁圖1、圖2）

圖1為當(dāng)回火溫度為640℃時淬火溫度對鋼棒調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度、硬度、延伸率和0℃沖擊功的影響。由圖1-1可知，當(dāng)淬火溫度為950～980℃時，隨著溫度的升高，回火后材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度逐漸升高，峰值出現(xiàn)在980℃，此時三個指標(biāo)分別提高了8.3%、6.5%和16.3%，在990℃淬火并回火后材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度均有所下降；由圖1-2可知，隨著淬火溫度的升高，試驗(yàn)鋼回火后的延伸率緩慢下降，但0℃沖擊功下降明顯，在此溫度范圍內(nèi)降低了45%。

圖1　回火溫度為640℃時淬火溫度對鋼棒調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度、硬度、延伸率和0℃沖擊功的影響

圖2　回火溫度為640℃時各淬火溫度下鋼棒調(diào)質(zhì)后的微觀組織

圖2為回火溫度為640℃，淬火溫度在950、970、990℃時鋼棒調(diào)質(zhì)后的組織形貌。由圖2-1、圖2-3可知，在950℃淬火并回火后的組織中可以觀察到多邊形鐵素體及少量塊狀的淬火殘余鐵素體，但在990℃淬火并回火后試樣中的鐵素體基本保持了原有馬氏體的板條形態(tài)。這說明經(jīng)較高溫度淬火后基體溶入了更多的碳、鉻等元素，使馬氏體更為穩(wěn)定，而在相同的溫度回火后其不易分解，保持了原有的板條狀。淬火溫度由950℃提高到970℃時，晶粒長大較少，但當(dāng)淬火溫度由970℃提高到990℃時晶粒尺寸大幅提高。隨著淬火溫度的提高，更多的碳化物溶入到基體當(dāng)中，經(jīng)過回火后，碳化物雖然重新析出、長大，但其尺寸及數(shù)量隨淬火溫度的提高而逐漸減少。另外，隨著淬火溫度的升高，奧氏體穩(wěn)定性逐步提高，淬火后殘余奧氏體的含量也逐漸升高，經(jīng)高溫回火后，并不能完全消除殘余奧氏體[5]，因此隨著淬火溫度的升高，材料回火后殘余奧氏體的含量逐漸增加。

當(dāng)回火組織中的殘余奧氏體越多、晶粒尺寸越大時，材料的強(qiáng)度和硬度越低；而當(dāng)基體中固溶的合金元素越多，晶格畸變越大，則強(qiáng)度和硬度越高[6]。從圖1-1可知：材料的強(qiáng)度和硬度在950～980℃時逐漸提高，在980℃時達(dá)到最大值。說明在該淬火溫度范圍內(nèi)，固溶強(qiáng)化所起到的強(qiáng)化作用大于殘余奧氏體的增多及晶粒尺寸增大對材料強(qiáng)度的弱化作用；當(dāng)淬火溫度達(dá)到990℃時，材料的強(qiáng)度及硬度有所降低，說明在該溫度下進(jìn)一步增多的殘余奧氏體及明顯長大的晶粒對材料強(qiáng)度的弱化起到了主要作用。

在沖擊韌性方面，晶粒尺寸是影響韌性的最主要因素，晶粒尺寸越小，越有利于沖擊韌性的提高，這是由于細(xì)化的晶粒增大了表面能，推遲了裂紋萌生，增加了裂紋擴(kuò)展的阻力，增大了斷裂應(yīng)變。在回火索氏體組織中，殘余奧氏體可改善材料的沖擊韌性，而板條狀鐵素體由于晶界比較尖銳，不利于韌性的提高[7-8]。因此，隨著淬火溫度的升高，在相同的溫度回火之后由于材料的晶粒尺寸明顯增大、鐵素體的板條形態(tài)更為突出，雖然殘余奧氏體含量在增加，但韌性卻隨著淬火溫度的升高而不斷降低。

2.2回火溫度對X12Cr13鋼力學(xué)性能與組織的影響

下頁圖3為當(dāng)淬火溫度為990℃時回火溫度對鋼棒調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度、硬度、延伸率和0℃沖擊功的影響。由圖3-1可知，隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度逐漸降低，但下降緩慢。當(dāng)回火溫度由620℃提高到670℃時，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度分別降低了1.34%、3.41%和8.64%。由圖3-2可知，隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的延伸率和0℃沖擊功提高。在620～640℃回火時，延伸率和0℃沖擊功上升緩慢；在640～670℃時上升較快，尤其是0℃沖擊功在此溫度范圍內(nèi)上升了55%。

下頁圖4為當(dāng)淬火溫度為990℃、回火溫度在630、650、670℃時鋼棒調(diào)質(zhì)后的組織形貌。從圖4中可以看出，隨著回火溫度的升高，淬火片狀馬氏體的形態(tài)逐漸減弱，殘余奧氏體不斷分解，碳原子和合金元素的擴(kuò)散加快，基體中的M23C6型碳化物不斷聚集長大。在回火過程中，過飽和的α固溶體脫溶，C原子的固溶強(qiáng)化效應(yīng)不斷下降，位錯及變形孿晶等缺陷也不斷減少。同時，隨著回火溫度的提升，碳化物顆粒的平均直徑增大，對位錯的釘軋作用逐漸減弱。以上各因素的綜合作用使得材料的硬度、強(qiáng)度隨回火溫度的升高而逐漸下降，塑性和韌性不斷上升。隨著回火溫度的升高，碳化物尺寸增大，影響沖擊過程中裂紋的形成和擴(kuò)展?；鼗饻囟仍礁?，則碳化物的圓整度越好，減小了應(yīng)力集中，使產(chǎn)生裂紋所需的應(yīng)力及裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力得到提高，裂紋擴(kuò)展相應(yīng)緩慢，韌性得到提高[9]。從圖4還可以看出，隨著回火溫度的升高，材料的晶粒尺寸沒有明顯變化。

圖3　淬火溫度為990℃時回火溫度對鋼棒調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度、硬度及延伸率和0℃沖擊功的影響

圖4　淬火溫度為990℃時各回火溫度下X12 Cr13鋼棒的微觀組織

3　結(jié)論

1）X12Cr13不銹鋼經(jīng)不同溫度淬火并經(jīng)640℃高溫回火后，隨淬火溫度的提高，晶粒尺寸不斷增大，殘余奧氏體含量逐漸提高，鐵素體的板條形態(tài)更為明顯。當(dāng)淬火溫度為950～980℃時試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度及硬度逐漸提高，并于980℃達(dá)到最大值；當(dāng)淬火溫度升至990℃時，材料的強(qiáng)度及硬度降低，隨著淬火溫度的提高，材料塑性緩慢下降，而0℃沖擊韌性大幅降低。

2）對試驗(yàn)鋼進(jìn)行990℃淬火、不同溫度高溫回火試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：隨回火溫度的升高，組織中殘余奧氏體不斷分解，片狀馬氏體形態(tài)不斷減弱，碳化物尺寸逐漸長大，但晶粒尺寸變化不大，同時試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度及硬度逐漸下降，塑性及韌性得到提高。

3）為滿足蒸汽發(fā)生器拉桿對材料強(qiáng)度及韌性的要求，可選擇淬火溫度為980～990℃、回火溫度為640～650℃的調(diào)質(zhì)工藝對材料進(jìn)行處理。

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（編輯：胡玉香）

Influence of Conditioning Technology on the Structure and Its Performance of X12Cr13 Stainless Steel for the Steel Rod of Steam Generator

LI Xiao1，2，YIN Wei1，YUAN Gang1
（1.Technology Center of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003；2.Material Department of Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024）

This paper analyzes influence of conditioning technology on the structure and its performance of X12Cr13 stainless steel for the steel rod of steam generator by experiment.The result showed that the higher temperature of quench was，the bigger grain and the more austenite were，and the intensity rose first and then fell as well as plasticity and tenacity with the increase of backfire.At the same temperature of quench，the higher backfire was，the weaker martensite was and the larger size of carbide was，but the size of grain was not obvious and the intensity reduced and the plasticity and tenacity increased gradually.

X12Cr13 stainless steel，conditioning treatment，microstructure，obdurability

TG142.71

A

1672-1152（2016）04-0007-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.03

試（實(shí)）驗(yàn)研究

2016-05-18

李筱（1981—），男，現(xiàn)在山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心從事不銹鋼研發(fā)工作，工程師。