張英波 田 叢 張 晶 柳重陽(yáng)

(吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 吉林 132299)

耐熱鋼作為燃煤發(fā)電技術(shù)的核心材料,其性能的優(yōu)劣不僅關(guān)乎火力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行,同時(shí)也影響電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。18Cr-Al-xSi耐熱鋼是歐洲研發(fā)的新型鐵素體耐熱鋼,其主要是在傳統(tǒng)鐵素體鋼的成分基礎(chǔ)上,通過(guò)提高鋼中鉻元素的含量,并添加適量的鋁和硅元素,以提高鋼的抗高溫氧化性[1-2]。目前,該鋼主要作為過(guò)熱器及再熱器管的連接件材料應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組,具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。

連接件材料加工后要經(jīng)過(guò)熱處理才能使用,熱處理后的晶粒尺寸不僅影響材料的力學(xué)性能,同時(shí)也對(duì)其抗高溫氧化性產(chǎn)生一定影響[5-7]。18Cr-Al-xSi耐熱鋼中添加硅元素主要是為了提高其抗高溫氧化性,但不同的硅含量也會(huì)導(dǎo)致鋼的鐵素體晶粒尺寸發(fā)生變化,進(jìn)而對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響[8]。本文主要研究了硅含量對(duì)18Cr-Al-xSi耐熱鋼微觀組織及力學(xué)性能的影響,闡明硅元素的作用機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用電爐+AOD+VOD三步法冶煉兩爐耐熱鋼,鋼錠質(zhì)量為80 kg,其化學(xué)成分如表1所示。冶煉完成后,首先將鋼錠加熱至1 200 ℃保溫1.5 h鍛造成厚度約40 mm的方坯,之后將方坯加熱至1 150 ℃保溫1 h,在熱軋機(jī)上經(jīng)三道次軋制成7 mm厚的板材,最后經(jīng)880 ℃保溫45 min空冷退火處理。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of the tested steel

1.2 試驗(yàn)方法

將退火后鋼板沿縱向加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,經(jīng)水砂紙逐級(jí)打磨至1 000目(13 μm)后在WDW-300型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),測(cè)試3個(gè)平行試樣。在拉伸試樣端部截取矩形試樣并經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后進(jìn)行硬度測(cè)試,在Duramin-A300型數(shù)字維氏硬度計(jì)上進(jìn)行,試驗(yàn)力為3 N,加載時(shí)間為10 s,在鐵素體晶粒內(nèi)部不同位置測(cè)量5次,并取均值。

金相試樣分別從熱軋板及硬度測(cè)試試樣上截取,經(jīng)打磨、拋光后,在5 g Cu2SO4+20 mL HCl+20 mL H2O混合溶液中浸蝕10～20 s。利用Zeiss Gemini 300型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)及能譜儀(energy dispersive spectrometer, EDS)表征鋼中析出物的形貌和成分,并觀察拉伸斷口形貌。利用JEM-F200型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)表征析出物的形貌及成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 硅含量對(duì)試驗(yàn)鋼微觀組織的影響

圖1(a,b)為兩種不同硅含量的試驗(yàn)鋼的熱軋態(tài)顯微組織。可以看出:經(jīng)熱軋后,0.3Si試驗(yàn)鋼的組織多為回復(fù)態(tài),僅有少部分區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶;而0.9Si試驗(yàn)鋼的組織多為均勻分布的鐵素體晶粒,表明該狀態(tài)下為完全再結(jié)晶組織。硅含量的增加會(huì)導(dǎo)致材料的變形抗力增加,進(jìn)而較早或較大程度地發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶[9]。因此,0.3Si試驗(yàn)鋼多為變形后的纖維狀組織,而0.9Si試驗(yàn)鋼的再結(jié)晶晶粒數(shù)量明顯增加。

圖1 兩種硅含量試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the two tested steels with different silicon contents

圖1(c,d)為兩種試驗(yàn)鋼的退火態(tài)顯微組織。可以發(fā)現(xiàn):經(jīng)880 ℃保溫45 min空冷退火處理后,0.3Si試驗(yàn)鋼發(fā)生了完全再結(jié)晶,鐵素體晶粒分布均勻;而0.9Si試驗(yàn)鋼的鐵素體晶粒發(fā)生明顯粗化,其尺寸明顯大于0.3Si試驗(yàn)鋼。通過(guò)Image J軟件測(cè)得0.3Si和0.9Si試驗(yàn)鋼退火后的鐵素體平均晶粒尺寸分別為77.69和120.41 μm。

圖2為兩種試驗(yàn)鋼退火后析出物的SEM形貌?？梢钥吹?0.3Si試驗(yàn)鋼退火后析出物主要在鐵素體晶內(nèi)或晶界析出,通過(guò)對(duì)圖2(a)中P1位置析出物進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn),該析出物主要含C、Cr、Fe和Mn元素,以及少量的Al、Si及O元素,如表2所示;0.9Si試驗(yàn)鋼退火后析出物也主要在鐵素體晶內(nèi)或晶界析出,通過(guò)對(duì)圖2(b)中P2位置析出物進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn),該析出物主要含C、Cr、Fe和Mn元素,以及少量的Al、Si及O元素,如表2所示。這兩種析出物可能是M23C6碳化物,其中M可能為Fe或Mn元素,檢測(cè)到的少量Al、Si及O元素主要是受基體或制樣影響而產(chǎn)生的干擾[8]。

圖2 兩種硅含量試驗(yàn)鋼退火后析出物的SEM形貌(a,b)及能譜分析(c,d)Fig.2 Scanning electron micrographs(a,b) and EDS analysis(c,d) of the precipitates in the two tested steels with different silicon contents after annealing

表2 圖2中P1和P2位置析出物的化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of the precipitates at P1 and P2 positions in Fig.2

為進(jìn)一步明確兩種硅含量試驗(yàn)鋼中析出物的類型,對(duì)退火試樣進(jìn)行TEM表征。從圖3(a)可以觀察到,0.3Si試驗(yàn)鋼晶界的析出物主要呈條狀或塊狀,通過(guò)衍射斑點(diǎn)標(biāo)定可知其晶帶軸方向?yàn)閆=[011],可以確定其為具有面心立方結(jié)構(gòu)的M23C6碳化物;而從圖3(b)中可以觀察到,0.9Si試驗(yàn)鋼晶界或晶內(nèi)的析出物呈條狀或塊狀,其衍射斑點(diǎn)標(biāo)定晶帶軸方向Z=[011],也為面心立方結(jié)構(gòu)的M23C6碳化物。

圖3 兩種硅含量試驗(yàn)鋼退火后析出物的TEM形貌及衍射斑點(diǎn)分析Fig.3 Transmission electron micrographs and diffraction spot analysis of the precipitates in the two tested steels with different silicon contents after annealing

此外,結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn),0.9Si試驗(yàn)鋼的析出物數(shù)量及尺寸均大于0.3Si試驗(yàn)鋼。通過(guò)Image J軟件測(cè)得,0.3Si和0.9Si試驗(yàn)鋼的析出物平均尺寸分別為3.78和6.36 μm,表明硅含量的增加促進(jìn)了M23C6析出物的形核和長(zhǎng)大。通常認(rèn)為,鐵素體不銹鋼中M23C6碳化物的析出溫度為480～650 ℃[10-11],而硅含量的增加會(huì)提高M(jìn)23C6碳化物的析出溫度,析出溫度的升高有利于鋼中碳和鉻元素的擴(kuò)散,促進(jìn)M23C6碳化物的形核和長(zhǎng)大[12-13]。

2.2 硅含量對(duì)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響

圖4為兩種試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)性能。可以看出:0.3Si試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為721.92和386.75 MPa,均高于0.9Si試驗(yàn)鋼的666.56和336.93 MPa;0.3Si試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率為19.85%,低于0.9Si試驗(yàn)鋼的23.21%。因此,硅含量的增加使試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低,斷后伸長(zhǎng)率升高。

圖4 兩種硅含量試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)和力學(xué)性能(b)Fig.4 Stress-strain curves(a) and mechanical properties(b) of the two tested steels with different silicon contents

0.3Si試驗(yàn)鋼的硬度分別為282、274、297、277和288 HV0.3,平均值為283.6 HV0.3;0.9Si試驗(yàn)鋼的硬度分別為235、242、244、251和232 HV0.3,平均值為240.8 HV0.3。

分析兩種試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能可以得出,硅含量的增加導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度和硬度降低,斷后伸長(zhǎng)率升高。根據(jù)Hall-Petch公式[14]:

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中:σ0為移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)所需要克服點(diǎn)陣摩擦的力;d為晶粒尺寸或析出物尺寸;k為常數(shù)。由式(1)可以看出,材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸倒數(shù)的平方根呈正比。從上述分析可知,經(jīng)過(guò)880 ℃保溫45 min退火后,0.9Si試驗(yàn)鋼的鐵素體晶粒及M23C6碳化物尺寸均大于0.3Si試驗(yàn)鋼,因此在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,較大尺寸的鐵素體及M23C6碳化物會(huì)導(dǎo)致0.9Si鋼的強(qiáng)度降低、塑性提高[15]。一般認(rèn)為,晶粒越細(xì)小,材料的強(qiáng)度和硬度越高。此外,M23C6碳化物是一種脆性相,在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中易在其周圍產(chǎn)生微裂紋,且當(dāng)這種微裂紋形成后,較小尺寸的M23C6碳化物可以承受一定的變形,展現(xiàn)較好的韌性;而較大尺寸的M23C6碳化物周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中,在擴(kuò)展過(guò)程中易連接形成孔洞,從而引發(fā)脆性斷裂[16-18]。

2.3 斷口形貌

圖5為兩種硅含量試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌?？梢钥吹?兩種試驗(yàn)鋼的拉伸斷口均主要由解理平臺(tái)和撕裂棱(箭頭所指)組成,同時(shí)在部分區(qū)域可觀察到少量的韌窩(虛線區(qū)域),因此可以判定試驗(yàn)鋼的斷裂模式為韌-脆混合型斷裂。進(jìn)一步比較還可以看到,0.3Si試驗(yàn)鋼的斷口解理平臺(tái)較多而韌窩較少,0.9Si試驗(yàn)鋼的斷口解理平臺(tái)數(shù)量較少而韌窩較多。

圖5 兩種硅含量試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture patterns of the two tested steels with different silicon contents

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)鋼中硅含量的增加會(huì)促使熱軋態(tài)組織發(fā)生再結(jié)晶,而經(jīng)過(guò)退火處理后,硅含量的增加會(huì)引起鐵素體晶粒粗化。試驗(yàn)鋼中主要析出物為M23C6碳化物,且隨著硅含量的增加,碳化物數(shù)量增多、尺寸增大。

(2)硅含量的增加會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度降低,斷后伸長(zhǎng)率升高。鐵素體晶粒及碳化物尺寸的增大是試驗(yàn)鋼強(qiáng)度和硬度降低的主要原因。

(3)兩種硅含量試驗(yàn)鋼的拉伸斷口均主要由解理平臺(tái)和撕裂棱組成,部分區(qū)域可觀察到少量韌窩,其斷裂模式均為韌-脆混合型斷裂。