T91鋼金相組織異常原因分析及建議

代小號(hào)，歐陽(yáng)杰，徐雪霞，鄭相鋒，王 勇

(河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

1 概述

T91鋼是鍋爐受熱面管常用的馬氏體耐熱鋼，其在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上降低含碳量，嚴(yán)格限制硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，添加少量的釩、鈮元素進(jìn)行合金化。ASTM213/A213M-85C標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定T91鋼的化學(xué)成分見表1。其正常組織為細(xì)小的板條狀，組織為回火馬氏體，見圖1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定T91鋼的化學(xué)成分 %

元素CMnPSSiCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08～0.120.30～0.60≤0.02≤0.010.20～0.508.00～9.50元素MoVNbNNi質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.85～1.050.18～0.250.06～0.100.03～0.07≤0.40

圖1 正常的T91組織

在對(duì)某電廠爆管取樣管檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該批次的小管金相組織均是異常組織，不是正常的回火馬氏體，T91鋼的強(qiáng)化機(jī)理得不到正常的發(fā)揮，易造成爆管，以下列舉了本次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的異常金相組織，并分析產(chǎn)生的原因，給出相關(guān)建議。

2 金相組織異常情況介紹

2.1 鐵素體代替馬氏體

在正火條件下，T91鋼鐵素體的等軸晶完全奧氏體化，快速冷卻后就能得到馬氏體組織，冷卻速度對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變起著重要作用，由于壁厚的原因冷卻速度對(duì)P91管道的影響更加顯著。T91小管由于壁薄不容易出現(xiàn)冷卻速度不正確造成的異常組織，但是該次檢驗(yàn)在T91管道中發(fā)現(xiàn)了由于冷卻速度不正確造成的非正常組織，見圖2、圖3。

圖2 等軸狀鐵素體組織

圖3 等軸狀鐵素體老化組織

關(guān)于冷卻速度對(duì)于T91鋼馬氏體轉(zhuǎn)變的影響，相關(guān)研究表明[1]，在冷卻速度低于2 ℃/min時(shí)，金相組織全部為鐵素體，未出現(xiàn)正常的馬氏體組織，其鐵素體呈等軸狀分布，其中在圖3的晶界中出現(xiàn)了鏈狀碳化物。

2.2 馬氏體板塊中夾雜塊狀鐵素體

在冷卻速度稍快時(shí)(2～9 ℃/min)，組織為先共析鐵素體+馬氏體，其特征是在馬氏體板條中間夾雜著塊狀的鐵素體，塊狀鐵素體一般出現(xiàn)在P91大管道中，但是該次T91小管的檢驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)了塊狀鐵素體，見圖4。

圖4 馬氏體與先共析鐵素體

2.3 晶粒內(nèi)部存在粗大的馬氏體板條

晶粒內(nèi)部存在粗大的馬氏體組織，見圖5。從圖5中可以看到原奧氏體晶界，奧氏體晶粒粗大，晶粒度2～3級(jí)，晶粒內(nèi)部是粗大的馬氏體板條。

2.4 出現(xiàn)混晶組織

混晶組織一般在焊縫中容易見到，但是該次檢驗(yàn)中T91小管出現(xiàn)了混晶組織，見圖6。相關(guān)研究表明產(chǎn)生這種組織是由于正火溫度過高或者保溫時(shí)間過長(zhǎng)使奧氏晶粒不均勻長(zhǎng)大造成的，可能是在制造廠將小管和大管同爐處理，造成小管保溫時(shí)間過長(zhǎng)。

圖6 混晶組織

3 金相組織異常原因分析

該次檢驗(yàn)的T91鋼的管件壁厚小，溫度控制比P91管厚壁管容易，但是檢驗(yàn)中仍然發(fā)現(xiàn)以上異常組織，產(chǎn)生異常的原因主要是熱處理過程控制不當(dāng)，T91管主要熱處理工藝為正火+高溫回火，1 040～1 080 ℃正火，保溫后空冷，然后進(jìn)行750～780 ℃回火空冷。

3.1 正火溫度和保溫時(shí)間

正火的目的是得到完全的馬氏體組織，首先升溫完成奧氏體轉(zhuǎn)變，再由過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

正火溫度過高和保溫時(shí)間過長(zhǎng)容易造成原奧氏體晶粒粗大，形成圖5所示的粗大的馬氏體組織。過高的正火溫度還可能會(huì)造成高溫鐵素體的形成，在金相圖中高溫鐵素體區(qū)位于奧氏體區(qū)的上方，當(dāng)正火溫度過高，達(dá)到高溫鐵素體區(qū)時(shí)，在奧氏體晶界或晶內(nèi)會(huì)析出高溫鐵素體，由于T91鋼中Cr的含量高，擴(kuò)大了高溫鐵素體區(qū)，在隨后的馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，部分高溫鐵素體就有可能保留下來，高溫鐵素體會(huì)降低T91鋼的力學(xué)性能，該次檢驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)高溫鐵素體組織，說明正火溫度未超限值。

過低的正火溫度(即正火不足時(shí))，會(huì)導(dǎo)致組織的奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，在后面的冷卻過程中不能得到完全的馬氏體組織，容易形成圖6所示的混晶組織。

在實(shí)際熱處理中，爐溫和件溫不符可能是造成正火溫度失控的原因，厚壁管和薄壁管同爐熱處理容易造成薄壁管保溫時(shí)間過長(zhǎng)，從而產(chǎn)生晶粒粗大。

3.2 冷卻速度

文獻(xiàn)[2]測(cè)得的T91鋼的鋼連續(xù)冷動(dòng)轉(zhuǎn)變(CCT)曲線如圖7所示，從圖中可以看到T91鋼在相當(dāng)寬的冷卻速度范圍內(nèi)均可以得到完全的馬氏體組織，但是冷卻速度低于9 ℃/min時(shí)就有先共析鐵素體產(chǎn)生，冷卻速度慢到一定程度時(shí)沒有馬氏體產(chǎn)生。在實(shí)際熱處理過程中，造成冷卻速度太慢的原因可能是管件厚壁管和薄壁管同時(shí)堆放冷卻，易使薄壁管冷卻速度不足。

圖7 T91鋼的CCT曲線

3.3 回火溫度

T91鋼的高溫回火目的是降低馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和提高碳化物的析出，從而提高T91鋼的高溫力學(xué)性能?；鼗饻囟冗^低(一般認(rèn)為低于750 ℃)達(dá)不到效果，回火溫度過高會(huì)對(duì)組織和性能產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)回火溫度過高，超過T91鋼的AC1線(810～830 ℃)時(shí)，部分馬氏體發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，造成組織中存在未經(jīng)回火的馬氏體，也可能產(chǎn)生混晶組織，大幅降低T91鋼的沖擊韌性。

4 結(jié)論及建議

檢驗(yàn)結(jié)果表明，T91小管同樣會(huì)出現(xiàn)熱處理失控的情況，主要是正火溫度、冷卻速度、回火溫度等因素控制不得當(dāng)，造成T91管產(chǎn)生異常組織，如出現(xiàn)等軸狀鐵素體、塊狀鐵素體、晶粒粗大、混晶組織多種非正常組織，對(duì)其性能造成不利影響，進(jìn)而影響其使用壽命。因此建議制造廠嚴(yán)格控制熱處理過程，比如采取提高熱處理爐內(nèi)溫度的均勻性和溫控精度、避免將規(guī)格相差太大的部件同爐熱處理、避免冷卻過程中管件堆放過密等措施。同時(shí)建議使用者在新管入廠時(shí)對(duì)同爐同批次的新管增加金相組織及力學(xué)性能抽檢，以減少或避免由于金相組織異常造成的爆管。

參考文獻(xiàn)：

[1] 寧保群，劉永長(zhǎng)，喬志霞，等.T91鐵素體耐熱鋼過冷奧氏體轉(zhuǎn)變過程中臨界冷卻速度的研究[J].材料工程，2007(9)：9-13.

[2] 寧保群，嚴(yán)澤生，付繼成，等.冷卻速率對(duì)T91鋼相變過程及組織的影響[J].鋼鐵，2009，44(7)：9-13.