T23低合金耐熱鋼再熱裂紋敏感性研究

李世賢 朱麗慧 周任遠(yuǎn) 柯志剛 翟國麗

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.寶鋼集團(tuán)中央研究院，上海 201900)

T23鋼是由日本住友金屬和三菱重工聯(lián)合開發(fā)的低合金貝氏體耐熱鋼。T23鋼具有較高的持久強(qiáng)度，焊接時(shí)焊件無需預(yù)熱和焊后熱處理，其許用應(yīng)力值高于T22(2.25Cr- 1Mo)鋼[1- 2]。T23鋼被廣泛用于超臨界火電機(jī)組過熱器和再熱器及超超臨界機(jī)組水冷壁等重要零部件。然而據(jù)報(bào)道，T23鋼制造的水冷壁因焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)(coarse- grained heat- affected zone, CGHAZ)出現(xiàn)再熱裂紋而導(dǎo)致管道爆裂及泄漏，導(dǎo)致火電機(jī)組存在極大的安全隱患[3]。因此，研究如何避免T23鋼產(chǎn)生再熱裂紋具有重要意義。

目前，避免產(chǎn)生再熱裂紋的措施主要是改進(jìn)焊接工藝等。低合金耐熱鋼的再熱裂紋敏感性與合金元素密切相關(guān)[4- 6]，改進(jìn)T23鋼的化學(xué)成分可從根本上解決再熱裂紋敏感性大的問題。文獻(xiàn)[6]提出了計(jì)算2.25Cr- 1Mo鋼產(chǎn)生再熱裂紋的臨界應(yīng)力(σCr)的經(jīng)驗(yàn)公式：

CSr=32C+0.5Cr+Mo+11V

(1)

由式(1)可知：CSr值越大，σCr越小，越容易產(chǎn)生熱裂紋，即再熱裂紋敏感性越大。所以適當(dāng)減少碳、釩、鉻和鉬的含量有可能減小T23鋼的再熱裂紋敏感性。但目前很少有人從優(yōu)化成分的角度研究如何減小鋼的再熱裂紋敏感性。本文研究了4種改進(jìn)成分的T23鋼和原T23鋼的再熱裂紋敏感性、拉伸性能和顯微組織，分析了化學(xué)成分影響T23鋼再熱裂紋敏感性的機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

由式(1)可知，碳、鉻、鉬和釩等元素對鋼的再熱裂紋敏感性有顯著影響。鎢和鉬在固溶強(qiáng)化方面具有類似的作用，而鈮和釩均易于形成MX相，其彌散強(qiáng)化作用相似。本文改進(jìn)型T23鋼是在原T23鋼成分的基礎(chǔ)上，改變了碳、鎢、鉬、鉻和鈮的含量，見表1。試驗(yàn)用鋼經(jīng)鍛造、軋制后，進(jìn)行正火(1 060 ℃×20 min空冷)和回火處理(770 ℃×60 min空冷)。

表1 改進(jìn)型T23鋼和原T23鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the modified and original T23 steels (mass fraction) %

本文采用應(yīng)變開裂試驗(yàn)(strain- to- fracture, STF)評定焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的再熱裂紋敏感性[7]。首先在Gleeble- 3500熱力耦合試驗(yàn)機(jī)上根據(jù)圖1熱模擬曲線制備焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)。比較發(fā)現(xiàn)，制備的熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒度、組織和硬度與實(shí)際焊接接頭接近，說明本文采用的模擬曲線能反映焊接的實(shí)況。將熱模擬試樣加工成如圖2所示的拉伸試樣，然后在Gleeble- 3500熱力耦合試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)變開裂試驗(yàn)，拉伸溫度近似實(shí)際焊接溫度，通常為730 ℃；拉伸速率為0.001 mm/s。采用EPIPHOT300金相顯微鏡、Zeiss Supra- 40 掃描電鏡和JEM- 2010F透射電鏡觀察應(yīng)變開裂試驗(yàn)拉伸斷裂試樣的熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織。采用雙噴電解減薄方法制備透射電鏡試樣,電解液采用體積分?jǐn)?shù)為10%的高氯酸酒精溶液。

改進(jìn)型和原T23鋼經(jīng)正火、回火后，采用WE- 100液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

圖1 焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的熱模擬曲線和應(yīng)變開裂試驗(yàn)參數(shù)Fig.1 Thermal simulation curve for the coarse- grained heat- affected zone and the strain- to- fracture test parameters

圖2 應(yīng)變開裂試驗(yàn)拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimensions of tensile specimen for the strain- to- fracture test

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 再熱裂紋敏感性

采用應(yīng)變開裂試驗(yàn)拉伸試樣的斷面收縮率(Z)評定T23鋼的再熱裂紋敏感性：Z<5%為極其敏感; 5%20%為不敏感[7]。改進(jìn)型T23鋼和原T23鋼的再熱裂紋敏感性的比較見表2。可見，原T23鋼對再熱裂紋極為敏感， 而改進(jìn)型T23鋼的再熱裂紋敏感性均有所減小，其中D鋼的再熱裂紋敏感性最小。

表2 改進(jìn)型和原T23鋼的再熱裂紋敏感性比較Table 2 Comparison between susceptibilities of the modified and original T23 steels to reheat cracking

2.2 室溫拉伸性能

圖3為改進(jìn)型T23鋼和原T23鋼的室溫拉伸性能。美國工程協(xié)會ASME—SA213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管》規(guī)定：室溫下，T23鋼的屈服強(qiáng)度不低于400 MPa，抗拉強(qiáng)度不低于510 MPa，斷后伸長率不低于20%。由圖3可見，改進(jìn)型T23鋼的強(qiáng)度和斷后伸長率均符合要求。

圖3 室溫下改進(jìn)型和原T23鋼的屈服強(qiáng)度(a)、抗拉強(qiáng)度(b)和斷后伸長率(c)Fig.3 (a) Yield strength, (b) tensile stength, and (c) elongation of the modified and original T23 steels at room- temperature

2.3 顯微組織

改進(jìn)型D鋼具有最小的再熱裂紋敏感性，故選擇D鋼的焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織與原T23鋼進(jìn)行對比，以揭示化學(xué)成分影響再熱裂紋敏感性的機(jī)制。圖4為原T23鋼和D鋼焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的顯微組織。

原T23鋼和改進(jìn)型D鋼焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織均主要為粒狀貝氏體，見圖4(a,b)。晶界和晶內(nèi)均存在析出相，晶界的析出相較粗大，見圖4(c～f)。電子衍射花樣標(biāo)定表明:原T23鋼和D鋼晶界和晶內(nèi)較粗大的析出相為FCC結(jié)構(gòu)的M23C6相，而晶內(nèi)彌散分布的尺寸約幾十nm的細(xì)小析出相為FCC結(jié)構(gòu)的MX相。與原T23鋼相比，D鋼中晶內(nèi)和晶界析出相的數(shù)量明顯減少，特別是晶界M23C6析出相的數(shù)量較少。

3 討論

再熱裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)楹附咏宇^熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶內(nèi)強(qiáng)度高于晶界強(qiáng)度，隨后在熱處理或服役過程中，變形優(yōu)先發(fā)生于晶界，導(dǎo)致沿晶斷裂[8- 9]。原T23鋼晶界存在大量富鉻和鎢的M23C6析出相，在晶界附近易產(chǎn)生鉻和鎢元素的貧化區(qū)，進(jìn)而形成軟帶，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度降低[10]。由于焊后冷卻速度較快，部分固溶于基體的碳和鎢的固溶強(qiáng)化導(dǎo)致焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶內(nèi)強(qiáng)度提高。同時(shí)，原T23鋼晶內(nèi)彌散分布的細(xì)小MX相的析出強(qiáng)化進(jìn)一步提高了晶內(nèi)強(qiáng)度，最終導(dǎo)致原T23鋼較易產(chǎn)生再熱裂紋。

圖4 原T23鋼(a、c、e) 和D鋼(b、d、f)焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructures in CGHAZ of (a,c,e) the T23 steel and(b、d、f)the steel D

由表2可見，改進(jìn)型T23鋼的再熱裂紋敏感性均小于原T23鋼，這與改進(jìn)型T23鋼的碳含量較低有關(guān)。式(1)表明碳對再熱裂紋敏感性的影響最大。這是因?yàn)椋阂环矫嫣脊倘苡诨w強(qiáng)化晶內(nèi)；另一方面碳易與鉻等合金元素結(jié)合在晶界形成M23C6，改進(jìn)型T23鋼晶界M23C6析出相的數(shù)量明顯少于原T23鋼(見圖4)，合金元素貧化區(qū)的減少提高了晶界強(qiáng)度，縮小了改進(jìn)型T23鋼晶內(nèi)、晶界的強(qiáng)度差，從而減小了再熱裂紋敏感性。

D鋼的再熱裂紋敏感性最小。這是因?yàn)镈鋼中除含碳量較低外，鎢和鉬的含量也較低，其固溶強(qiáng)化作用小于原T23鋼，且D鋼的含鈮量較低，導(dǎo)致晶內(nèi)彌散分布的MX相少于原T23鋼(見圖4)，所以D鋼的晶內(nèi)強(qiáng)度低于原T23鋼。此外，D鋼晶界上M23C6相的數(shù)量較少，(見圖4(c,d))，導(dǎo)致晶界上合金元素貧化區(qū)較少，改善了晶界強(qiáng)度。最終導(dǎo)致D鋼焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶內(nèi)、晶界強(qiáng)度差遠(yuǎn)小于原T23鋼，顯著減小了再熱裂紋敏感性。

B鋼的鉻和鈮含量與原T23鋼相差不大，但其固溶強(qiáng)化元素鉬和鎢的含量低于原T23鋼。由于晶內(nèi)強(qiáng)度低于原T23鋼，最終導(dǎo)致晶內(nèi)、晶界強(qiáng)度差小于原T23鋼，減小了再熱裂紋敏感性。盡管C鋼中起固溶強(qiáng)化作用的鉬的含量增加，導(dǎo)致晶內(nèi)強(qiáng)度提高，但是由于C鋼的碳和鉻含量略低于原T23鋼，從而提高了晶界強(qiáng)度，同時(shí)起析出強(qiáng)化作用的鈮的含量降低，降低了晶內(nèi)強(qiáng)度。最終導(dǎo)致C鋼的晶內(nèi)、晶界強(qiáng)度差小于原T23鋼，減小了再熱裂紋敏感性。

改進(jìn)型T23鋼中A鋼再熱裂紋敏感性的改善最不明顯。與原T23鋼相比，其鉻含量較低，晶界強(qiáng)度得到提高。同時(shí)，A鋼的鉬和鈮含量略高于原T23鋼，其晶內(nèi)強(qiáng)度也得到提高。但是晶界強(qiáng)度的提高幅度大于晶內(nèi)強(qiáng)度，A鋼的晶內(nèi)、晶界強(qiáng)度差較原T23鋼略有減小，導(dǎo)致其再熱裂紋敏感性略有改善。

4 結(jié)論

(1)4種改進(jìn)型T23鋼的再熱裂紋敏感性均有所減小，并且其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均滿足ASME—SA213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管》的要求。D鋼的碳、鎢和鈮的含量較低，再熱裂紋敏感性改善最顯著；其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也最高，分別為720和637 MPa。

(2)碳、鉻、鎢、鉬和鈮元素均影響晶內(nèi)MX析出相的數(shù)量、晶內(nèi)的固溶強(qiáng)化及晶界M23C6相的數(shù)量，從而改變T23鋼晶內(nèi)、晶界的強(qiáng)度差，進(jìn)而影響再熱裂紋敏感性。碳和鉻會影響晶界M23C6相的數(shù)量從而改變晶界強(qiáng)度，鉬和鎢會影響固溶強(qiáng)化作用進(jìn)而改變晶內(nèi)強(qiáng)度，而鈮含量的變化則影響晶內(nèi)彌散分布的MX相從而改變晶內(nèi)強(qiáng)度。所以通過優(yōu)化T23鋼的化學(xué)成分可減小T23鋼的再熱裂紋敏感性。