P92鋼的熱變形行為研究

任桂華

(湖北理工學院 機電工程學院，湖北 黃石 435003)

電力工業(yè)是一個國家的經(jīng)濟命脈，在倡導節(jié)能環(huán)保的工業(yè)背景下，高效率、低排放的超超臨界火力發(fā)電技術(shù)日益受到重視，P92耐熱鋼是目前廣泛應用于600 ℃以上超超臨界火電機組的新型馬氏體耐熱鋼(國外也稱為鐵素體耐熱鋼)[1-3]。目前，針對P92鋼的研究主要集中在合金化、焊接、時效[4-8]、高溫蠕變和斷裂等方面[9-11]，有關(guān)熱變形組織控制及熱成形工藝的研究較少。

鑒于此，針對P92耐熱鋼高溫下的服役條件，在625 ℃下進行不同應變速率的熱壓縮試驗，并進行掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)觀察及能譜分析(EDS)和X射線衍射分析(XRD)，研究其微觀組織和性能在熱壓縮過程中的變化，為P92鋼熱變形組織控制及熱成形工藝的制定，及其在高溫高壓下的部件壽命預測和運行監(jiān)督提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗材料和方法

試驗所用材料為德國進口的P92耐熱鋼，其化學成分見表1。采用線切割技術(shù)將P92耐熱鋼切割成規(guī)格為φ8 mm×12 mm的圓柱體試樣，并在Gleeble3800熱模擬機上進行熱壓縮試驗，壓縮溫度為625 ℃。采用1，0.1，0.01，0.001 s-14種應變速率將原始試樣壓縮65%，并測得不同應變速率下的應力-應變曲線。隨后將高溫壓縮后的試樣通過線切割沿縱向切開，經(jīng)磨制、拋光、腐蝕制成金相試樣。腐蝕液由50 g三氯化鐵、30 mL濃度為37%的鹽酸和70 mL去離子水配制而成。分別用LEO Supra35型場發(fā)射型電子顯微鏡和D/Max-2500PC X射線衍射儀對試樣進行微觀形貌及碳化物類型分析，采用JEM 2000FX II型透射電子顯微鏡對樣品進行微結(jié)構(gòu)觀察與分析。

表1 試驗用P92鋼的化學成分 wt%

2 結(jié)果與討論

2.1 應力-應變曲線分析

P92鋼在不同應變速率下的應力-應變曲線如圖1所示。由圖1可以看出，在變形的開始階段，應力隨應變的增加而增大；而后，隨著應變的增加，材料發(fā)生屈服，在較高的應變速率(1 s-1和0.1 s-1)下，材料的屈服應力較高，在較低的應變速率(0.01 s-1和0.001 s-1)下，材料的屈服應力較低；隨著應變繼續(xù)增加，應力值逐漸趨于平緩并開始下降，材料均發(fā)生了一定程度的應變軟化，即P92鋼在熱壓縮變形過程中發(fā)生了流變軟化行為，且應變速率越小，應變軟化越明顯。

圖1 P92鋼在不同應變速率下的應力-應變曲線

2.2 EDS和SEM分析

2.2.1 EDS分析

熱壓縮前后P92鋼基體的EDS能譜圖如圖2所示，不同應變速率熱壓縮后P92鋼基體的成分見表2。由表2可以看出，高溫壓縮后的基體中Cr元素含量變化不大，F(xiàn)e元素含量明顯降低，同時基體中W元素消失。

表2 不同應變速率熱壓縮后P92鋼基體的成分 wt%

熱壓縮前后P92鋼碳化物的EDS能譜圖如圖3所示，不同應變速率熱壓縮后P92鋼MC型碳化物的成分見表3，P92鋼碳化物尺寸及體積分數(shù)見表4。

表3 不同應變速率熱壓縮后P92鋼MC型碳化物的成分 wt%

表4 P92鋼碳化物尺寸及體積分數(shù)

由圖3可以看出，碳化物主要有兩類，一類含W元素(用MC表示)，另一類不含W元素(用M23C6表示)。由表3可以看出， 熱壓縮后P92鋼的碳化物中W元素含量增加，說明經(jīng)過熱壓縮后基體中析出了MC型碳化物，且其含量隨應變速率的降低呈遞增趨勢，可見MC型碳化物的析出量隨時間的增加而增多。由表4可以看出，經(jīng)熱壓縮后P92鋼的碳化物的尺寸明顯增大，體積分數(shù)也增大，且應變速率越低，壓縮時間越長，傾向越明顯，這將造成第二相粒子的強化效果減弱。

2.2.2 SEM分析

熱壓縮前后P92鋼的SEM圖如圖4所示。

由圖4(a)可知，P92鋼原始組織晶粒內(nèi)部的板條馬氏體上、馬氏體邊界等處均有細小的白色顆粒存在。通過分析EDS能譜(圖3)，可以確定白色顆粒為碳化物，其沿著板條馬氏體的邊界等處析出，與Abe[12]的報道一致。由圖4(b)～(e)可知，與原始樣品比較，壓縮后的試樣組織中的碳化物有些粗化，且隨著壓縮應變速率的降低，粗化傾向越來越大。

(a) 原始組織

(a) 原始組織

(a) 原始組織

2.3 XRD分析

熱壓縮前后P92鋼的XRD圖譜如圖5所示。由圖5(a)可知，原始組織中主要含有Cr23C6，Cr22.23Fe0.77C6，Cr21.34Fe1.66C6，Cr18.93Fe4.07C6，Cr15.58Fe7.42C65種M23C6型碳化物。結(jié)合SEM圖分析可知，這些碳化物分布在板條馬氏體界和Fe，Cr基體上，起到第二相強化作用，與Zhao[13]等的研究報道一致。由圖5(b)～(c)可知，高溫壓縮后P92鋼中大多為M23C6型碳化物，這與原始材料一致。通過對比分析熱壓縮前后P92鋼XRD圖譜可知，熱壓縮后基體Fe-Cr元素含量降低?？梢?，熱壓縮后P92基體中析出含有Fe，Cr元素的碳化物，即析出的M23C6碳化物中Fe，Cr元素增加，基體與碳化物中Fe，Cr元素相互擴散造成碳化物顆粒增大。

(a) 原始組織 (b) 1 s-1 (c) 0.001 s-1

2.4 TEM分析

熱壓縮前后P92鋼的TEM圖如圖6所示。由圖6(a)可知，原始組織中的碳化物主要呈小球形和短桿狀，說明材料中存在不同類型的碳化物，且原始樣品中位錯較少。由圖6(b)和(c)可知，熱壓縮變形后P92鋼碳化物顆粒明顯粗化，尺寸增大，體積分數(shù)也增加，且應變速率越低碳化物顆粒越粗大。

(a) 原始組織 (b) 1 s-1 (c) 0.001 s-1

(a) 碳化物分布的高倍圖

P92鋼在625 ℃、應變速率1 s-1時的TEM圖如圖7所示。由圖7可以看出，高溫壓縮后的組織主要是板條馬氏體，板條內(nèi)位錯密度較高。由于板條馬氏體發(fā)生了高溫回復，有些位錯纏結(jié)成位錯網(wǎng)。位錯網(wǎng)在高溫長時間作用下進一步規(guī)整，使馬氏體板條碎化為多邊化的亞晶塊，從而使馬氏體組織在保持高強度的同時，通過亞晶界的作用實現(xiàn)增韌。

結(jié)合TEM和SEM圖可以發(fā)現(xiàn)，高溫壓縮變形導致合金細小彌散的碳化物發(fā)生粗化，其分布特征也發(fā)生變化，材料中的合金元素在基體與碳化物中再分配，碳化物的類型和尺寸發(fā)生改變。

通過以上分析可知，由于P92鋼含有大量的合金元素，馬氏體板條在高溫回火時并不發(fā)生再結(jié)晶形成鐵素體基體，而是以高溫回復的板條碎化和亞穩(wěn)態(tài)位錯網(wǎng)的形成來釋放馬氏體相變時的形變儲存能。也就是說，在A1相變點以下高溫回火時釋放了正火時馬氏體形成所引起的形變儲存能，再加上亞穩(wěn)態(tài)位錯網(wǎng)的釘扎作用，阻礙了再結(jié)晶的發(fā)生，使得具有回火板條馬氏體組織的P92鋼保留了馬氏體的強化效果。又因為馬氏體板條高溫回復形成的亞穩(wěn)狀態(tài)，可以抵抗A1相變點以下高溫的長時間作用，P92鋼成為了熱強性和熱穩(wěn)定性兼具的優(yōu)良性能的熱強鋼。

3 結(jié)論

1) P92鋼在625 ℃不同應變速率下的熱壓縮試驗表明，達到流變峰應力后，材料應力值均逐漸平緩并開始下降，材料均發(fā)生了流變軟化行為。隨著應變速率降低，材料的流變峰應力逐漸減小，流變軟化傾向增加。

2)P92鋼在不同應變速率下熱壓縮變形之后，碳化物明顯粗化、尺寸增大，體積分數(shù)也增加，且壓縮應變速率越低，碳化物粗化越明顯。

3)P92鋼在不同應變速率下熱壓縮變形后發(fā)生明顯的回復。其晶粒內(nèi)部具有較高的位錯密度，與碳化物顆粒發(fā)生顯著的交互作用。