10Cr9MoVNb钢的组织和性能

10Cr9Mo1VNbN钢的组织和性能

与奥氏体类耐热钢相比，铁素体类耐热钢的蠕变断裂强度低。但是铁素体类耐热钢导热性能好、热膨胀系数小、抗应力腐蚀性能好，并且还具有抗核辐射效突性好、抗氦脆性好等特点。１０Ｃｒ9ＭｏＶＮｂ钢是铁素体类耐热钢，我们就该钢的热处理工艺对组织和性能的影响，特别是该钢在回火过程中组织变化规律进行了研究和分析。

１试验方法

试验钢是在成都无缝钢管厂用１０ｔ电弧炉冶炼，并重熔成Ｉｔ锭。试验钢的化学成分（％）为：

Ｃ０．１０，Ｓｉ 0．３６，Ｍｎ０．４８，Ｓ０．００７，Ｐ０．０１２，Ｃｒ９．３８，Ｍｏ０．９３，

Ｖ０．２４，Ｎｂ０．０８，Ｎ０．０５０，ＡＩ０．０４。

试验用料取自必１７２ｍｉｎＸ８ｍｍ的钢管。首先选择４个因素（奥氏体化温度，奥氏体化之后的冷却速度，回火温度，回火时间），３个水平进行正交试验，确定了最佳热处理制度。然后以最佳热处理制度处理一批试样，测定了室温拉伸性能、室温冲击韧性、６００℃瞬时拉伸性能和６００℃持久拉伸性能。另外，为了研究高温强化机理，着重研究了最佳正火条件下，回火温度对试验钢组织的影响。为此，用光学显微镜和电子显微镜观察组织，以电子衍射法分析析出相的结构，并以能谱分析法确定了相的成分。

２试验结果

２．１机械性能正交试验结果，热处理制度对试验钢的室温拉伸性能、室温冲击韧性和６００℃瞬时拉伸性能的影响，如表１所示。正交试验显著性分析结果如表２所示。由表可知，在试验条件范围内，奥氏体化温度和冷却速度对机械性能的影响一般来讲不显著；而回火温度和回火时间对机械性能的影响有的稍显著，有的显著。综合分析试验结果，试验钢的最佳热处理制度为在１０５０Ｃ奥氏体化ｌｈ，空冷，然后在７８０Ｃ回火ｌｈ。按此制度处理的试验钢性能为室温σb７１５ＭＰａ，δ5２４．４％，，Ψ７４．６％，，Ａk v１５０J；６００℃σ0.2３００ＭＰａ，σb３４０ＭＰａ，δ5３５．０％，Ψ８７．０％。

２．２显微组织

２．２．１正火试样显微组织试验钢正火（１０５０Ｃ，ｌｈ）试样显微组织如图表１。由图可知，试验钢正火组织主要是有大量位错缠结的板条状马氏体，另外还有少量自回火板条状马氏体和少量未溶碳化物。

２．２．２因火试样光学显微组织正火之后在不同温度回火（ｌｈ）试样用光学显微镜观察发现，马氏体的板条形貌一直保持到４００℃，在更高的温度回火的试样，马氏体的板条状形貌逐渐消失，但是直至７８０Ｃ回火试样仍有部分板条状形貌隐约可见，如图Ｚａ所示。另外，７００Ｃ回火试样，用光学显微镜可观察到马氏体分解析出的细小碳化物。当回火温度升高到８００ｏＣ，可明显地观察到析出的碳化物。

２．２．３回火试样电子显微组织用电子显微镜观察发现，在４００Ｃ以下回火试样马氏体板条完整，板条边界清晰可见，板条内有大量缠结的位错。５００℃和６００℃回火试样马氏体板条仍较完整，位错密度仍然相当大。７００℃回火试样仍然是板条状马氏体，但有的板条边界不太清楚，位错密度降低，位错缠结形成的胞状结构胞壁变薄。７８０℃回火试样位错密度进一步降低，可见，在５００’Ｃ以下回火试样中析出相为平行排列的针状碳化物，它分布在马氏体板条内。随着回火温度的提高，碳化物形状由针状变为粒状或杆状，板条界面上亦有析出。回火温度在５００℃以下，析出相为Ｍ6Ｃ型碳化物，６００℃回火时析出相为Ｍ2３Ｃ6型碳化物，７８０Ｃ回火试样中除Ｍ23Ｃ6型碳化物之外，还有ＭＣ型碳化物。能谱分析证明，Ｍ6Ｃ型碳化物中Ｍ主要是Ｆｅ，另外还有少量Ｃｒ；而在Ｍ23Ｃ6型碳化物中Ｍ主要是Ｃｒ和Ｆｅ，另外还有Ｍ。和Ｖ。随着回火温度的提高，Ｍ2３Ｃ6中Ｃｒ／Ｆｅ比值稍有增加。在７８０℃回火析出的ＭＣ型碳化物中，Ｍ主要是Ｖ，另外还有Ｃｒ、Ｎｂ、

２．３持久拉伸性能和时效组织试验钢以最佳工艺进行热处理的试样，在６００’Ｃ做持久拉伸试验，其试验数据位于外国同类钢的持久拉伸性能数据带内。６００℃，１０5ｈ持久强度极限为１３０ＭＰａ。６００℃１４２３ｈ时效组织仍然有板条束形貌，并且胞状结构也明显可见。

２．４讨论根据试验结果粗略计算，正火后７８０℃回火的试验钢基体中Ｃｒ含量为９．２３％，固溶强化

和抗高温氧化是Ｃｒ在钢中很重要的作用之一。正火试样在５００℃以下回火时析出含Ｃｒ的Ｍ。Ｃ型碳化物。在６００Ｃ以上回火时，Ｃｒ的扩散能力显著增加，析出以Ｃｒ为主的Ｍ23Ｃ6型碳化物。而在７８０℃回火时除了Ｍ23Ｃ6之外由于Ｎｂ和Ｖ的扩散能力明显地增加，析出以Ｖ为主的ＭＣ型碳化物，其尺寸细小，稳定性极好。Ｖ和ＭＯ溶入以Ｃｒ为主的Ｍ2３Ｃ6中，提高其稳定性。７８０℃回火试样经６００℃时效１４２３ｈ后，碳化物类型没有变化，尺寸变化甚小。所以Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ在试验钢中碳化物析出强化效果显著。试验钢正火形成的板条状马氏体内存在大量位错缠结而形成的胞状结构。在７８０’Ｃ回火时，胞内位错密度降低，并且胞壁上的位错规整化而变薄，成为很多较规整而清晰的胞状结构，它们在６００’Ｃ时效１４２３ｈ之后仍清晰可见。因此，位错对试验钢高温性能也有益。试验钢高温性能好、持久强度高的主要原因是合金元素Ｃｒ的固溶强化和位诸强化以及Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ等元素的碳化物析出强化。

３结论

３．１试验钢最佳热处理制度为１０５０℃加热ｌｈ，空冷；７８０℃加热ｌｈ，空冷回火。这样处理的试验钢具有很高的强度和良好的塑性、韧性。

３．２试验钢正火组织主要是具有大量位错缠结的板条状马氏体，另外还有少量自回火板条状马氏体和末溶碳化物。它经７８０Ｃ回火仍保持板条状形貌，且具有大量清晰的胞状结构，回火析出相为Ｍ23Ｃ6和ＭＣ型碳化物。

３．３试验钢具有很高的高温瞬时强度和持久强度，其强化机理有合金元素的固溶强化和位错强化以及Ｍ23Ｃ6和ＭＣ型碳化物的析出强化。