P92钢高温蠕变行为与断口形貌组织分析

P92钢高温蠕变行为与断口形貌组织分析
在600℃、650℃不同应力水平下完成P92钢的高温蠕变试验，观察了蠕变断裂后断口的微观结构，利用幂律关系式拟合出了应力指数n，并计算出损伤容许量系数？姿。

研究表明，蠕变断裂时间与加速蠕变阶段开始时间的比值范围在1.41～1.82。

根据应力指数n及损伤容许量系数？姿，引起蠕变加速及最终断裂原因是由于位错的运动。

应力指数n随着温度的升高呈下降趋势，是由于位错密度的降低和Laves相的形成所致。

微观断口具有明显的韧窝断裂特性，部分韧窝底部存在第二相粒子。

Laves相的析出强化是影响蠕变稳定性的主要因素。

温度水平较高时，Laves相的快速析出降低了位错密度，使得蠕变断裂强度下降，加速了蠕变断裂。

标签：P92钢；蠕变；断口形貌；微观结构
1 概述
能源需求、环境保护导致的电站锅炉高参数、大容量的发展趋势，使得锅炉管用钢的研究与开发向着高性能、低成本进行。

目前在日本和欧洲，各国对用于超超临界发电机组的9%-12%Cr铁素体耐热钢的研究十分广泛，该系列钢种以其优良的综合性能被世界上高蒸汽参数发电机组广泛采用。

P92钢（9Cr-0.5Mo-1.8WVNb）作为其代表钢种，是在对T/P91钢改进基础上开发出的适用于更高温度和更高蠕变断裂强度的9Cr型F/M类钢[1]。

该钢种属于典型的采用“多元复合强化”理论设计出的钢种，其成分构成中既有固溶强化元素W、Mo，也有沉淀强化元素Nb、V，还引用了N、B元素以进一步提高钢的高温持久强度。

研究表明，P92钢具有良好的物理性能、高温蠕变断裂强度、优异的常温冲击韧性、以及优良的抗氧化性，是超（超）临界火电机组锅炉集箱以及应用于极苛刻蒸汽条件下的主蒸汽和再热蒸汽管道等管件的首选用钢之一。

目前美、日、德等国家已对P92钢进行全面试验研究以积累足够的制造以及运行经验。

研究主要集中在焊接工艺方面，对其工艺性能、力学性能、蠕变性能的研究工作也在逐步完善[2-3]。

近年来，随着超超临界机组的投运，我国对P92钢的冶炼、焊接、热压成形、热处理工艺进行了系列的研究，并初步掌握了超超临界机组P92钢管件设计、制造、检验等技术，为实现超超临界机组P92钢及其管件的国产化积累了经验[4]，但有关P92钢的长期蠕变性能有待加强。

本文在实验的基础上，对P92钢的蠕变行为和断裂试样的断口形貌组织进行分析。

2 实验描述
2.1 实验材料
3.2 蠕变断口分析
3.2.1 宏观断口形貌
图3为蠕变断口的宏观形貌示意图。

试样断裂时宏观断口呈现杯锥状，形貌包含纤维区、放射区和剪切唇区。

两种温度各应力水平下，纤维区在断口表面所占比例均较大，而放射区、剪切唇区所占比例较小。

宏观断口形貌表明，蠕变过程中发生明显的宏观塑性变形。

对比图中不同温度下的断口纤维区面积可知，断口纤维区面积随着温度升高增大。

而在相同温度下，低应力时纤维区面积较大。

3.2.2 微观断口形貌
图4给出了断口纤维区的典型微观形貌，从图可以看出，两种温度下各断口纤维区分布着尺寸大小各不相同的等轴韧窝。

温度较低时（图4a、4b），断裂时间较长，断口韧窝非常明显，韧窝直径大且深，在个别韧窝底部存在第二相粒子，且粒子直径较小。

当温度升高时，韧窝直径变小且浅，分布较均匀、密集，且在韧窝中存在直径较大的第二相粒子的数目明显增多，表明在粗化的第二相粒子处容易形成韧窝。

由此可以看出，第二相粒子尺寸受温度影响较为显著。

3.2.3 断口分析及讨论
在高温蠕变条件下，P92的蠕变强化机制可以归纳为固溶强化和析出强化。

通常认为，在600 ℃、650 ℃下，第二相的析出导致基体中W、Mo元素含量减少，使得固溶强化作用降低。

蠕变的不稳定主要受到固溶强化作用的影响，而析出强化所起到的作用较小。

但是，J.Hald[9]通过实验和模拟，证明固溶强化对P92钢微观结构的稳定性影响不大。

蠕变变形源自于位错和亚晶粒边界的迁移，高密度的位错，使位错运动受阻。

蠕变过程中，位错密度逐渐降低，强度也随之下降。

因此通过位错阻塞和亚晶粒边界引起的析出强化对微观结构的稳定性有着重大的影响。

在蠕变机制中，应当延迟位错和亚晶粒边界的迁移来保证蠕变强度。

P92钢在蠕变过程中析出的第二相粒子主要有Z相、MX、M23C6以及Laves 相。

根据文献[10]，Z相在650 ℃时效4 000 h后才会析出，而在本文的研究条件下，蠕变断裂时间较短，因此可忽略Z相的影响；MX尺寸极小，在蠕变过程中极其稳定，且粗化速率很低；M23C6与Laves相对析出强化的影响巨大。

M23C6优先在奥氏体晶界或板条或阻塞边界处成核并长大，这与Laves相的形成十分相近。

但M23C6在蠕变时间较短的情况下，粗化并不明显，对材料性能影响很小。

而Laves相的长大速度快于M23C6，所以本文中第二相粒子主要为Laves相，且与析出强化关系密切，因此主要考虑Laves相产生的影响。

P92钢在600 ℃时Laves相大约在10000h后完全析出并趋于稳定[9]。

650℃时经过1546.5h蠕变后，Laves相的体积分数可达到2.6%，经过2000 h后完全析出[11]。

文献[9]的实验结果表明，650℃下Laves相粒子的体积大约比600℃大60%。

在本文研究条件下Laves相还处于析出阶段，因而600℃下只有个别韧窝下出现析出相。

而由图观察到650℃时，Laves相析出数量明显增多，且尺寸明显变大，充分说明温度对Laves相的很大影响。

4 结论
4.1 蠕变断裂时间与加速蠕变阶段开始时间的比值约为1.41～1.82，即导致蠕变断裂速率加快的原因为空位和裂纹的形成与扩展。

4.2 利用幂律关系式拟合出的应力指数n分别为16.8和1
5.2，表明影响蠕变过程的主要因素为位错运动。

4.3 600℃、650℃下的损伤容许量系数分别为3.18，
3.25，证实蠕变加速和最终断裂是由位错运动所致。

4.4 P92钢的宏观断口表现出该材料具有良好的高温塑性。

微观断口具有明显的韧窝断裂特性，高温时存在第二相粒子的韧窝的数目明显增多且第二相粒子的尺寸较大，表明其受到温度的影响较显著。

4.5 影响蠕变稳定性的主要因素为沉淀强化，与Laves相的析出关系密切，温度水平较高时，Laves相的快速析出降低了位错密度，影响材料的抗蠕变性能，使得蠕变断裂强度下降。

参考文献
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[4]丛相州，徐广信，魏骁，安锦平，彭先宽，惠娜.超超临界机组P92钢管件的国产化研究[J].中国电力，2007（40）：17-20.
[5]王学，潘乾刚，刘洪，曾会强，陶永顺.超超临界机组用P92钢焊接细晶区高温蠕变行为研究[J].中国电机工程报，2010（30）：104-108.
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[8]B.Fournier，M.Salvi，F.Calle，et al.Lifetime prediction of 9-12%Cr martensitic
steels subjected to creep-fatigue at high temperature[J].International Journal of Tatigue，2010：971-978.
[9]J.Hald.Microstructure and long-term creep properties of 9-12% Cr steels[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2008（85）：30-37.
[10]王志武，宋涛，梅伟，万程. 高Cr铁素体耐热钢中的Z相.[J].金属热处理，2012，37（4）：1-5
[11]姚兵印，周荣灿，范长信，李太江.P92钢中拉弗斯相的尺寸测量及其长大规律的动力学模拟计算[J].中国电机工程学报，2010（30）：94-100.
作者简介：刘学（1971-），男，汉，黑龙江五常人，硕士，工程师，从事热能工程技术研究。