珠光体耐热钢服役过程中组织及性能演化

付 坤王长才胡连海薛 峰周书昌（.河北省锅炉压力容器监督检验院 石家庄 05006）（.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院 石家庄 050043）

珠光体耐热钢服役过程中组织及性能演化

付 坤1王长才1胡连海2薛 峰1周书昌1
（1.河北省锅炉压力容器监督检验院 石家庄 050061）
（2.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院 石家庄 050043）

摘 要：准确评定电站锅炉用珠光体耐热钢的使用寿命具有重要的价值，对不同运行工况条件下的20G 和12Cr1MoV的显微组织和性能演化规律进行了分析，试验结果显示，随着服役时间的增加，20G耐热钢的球化程度加深，碳化物向晶界扩散，形成链状分布，12Cr1MoV耐热钢的珠光体形成细长状分布于晶界处，削弱了晶界强度，使得抗拉强度和屈服强度下降，不能满足标准要求，随着高温短时过热程度的加剧，20G耐热钢的晶粒尺寸增加，形成粗大的魏氏组织，严重降低力学性能。

关键词：珠光体耐热钢 珠光体球化 显微组织 力学性能

随着我国电站锅炉运行时间的增长，超期服役的老龄机组也在不断增加，由于长期在高温下运行，珠光体耐热钢的组织球化严重，容易形成过热组织，进而导致力学性能下降，难以满足使用运行要求，使得锅炉安全问题越来越突出，锅炉事故频发，造成重大环境污染和经济损失，严重影响经济运行和人民生活。为了保证锅炉的安全运行，需要定期进行电站锅炉耐热钢的检测，以进行寿命评估，使得电站锅炉既能安全的运行，又不至于过早报废而浪费材料的使用寿命，因此精确地评估锅炉的使用寿命具有重要的实用价值［1-5］。

本文对不同运行条件下的电站锅炉用珠光体耐热钢的显微组织的演化规律进行分析，对力学性能的影响进行评估，从而完善金属监督方法。

1　试验材料与方法

试验材料是从长期运行的电站锅炉管道上截取的，包括20G和12Cr1MoV两种珠光体耐热钢管，其中，20G取自水冷壁，12Cr1MoV取自高温过热器，运行工况条件见表1，其中11#～14#试样为服役不同时间的20G，31#～34#试样为服役不同时间的12Cr1MoV，21#～23#试样为服役时间相同，但是出现了不同程度的短时高温过热情况的20G。制备金相试样，并用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用显微镜观察试样的显微组织演化，依据DL/T 674—1999和DL/T 773—2001，对20G和12Cr1MoV的金属组织进行球化评级，根据GB/T 228.1—2010，制备拉伸试样，采用MTS万能材料试验机测定屈服强度、抗拉强度和伸长率等力学性能指标，加载速率为2mm/min。

表1　珠光体耐热钢运行工况条件

2　试验结果及讨论

2.1珠光体耐热钢拉伸试验结果

表2为20G拉伸性能测试结果，表3为12Cr1MoV拉伸性能测试结果，从表2、表3可以看出，11#～14#试样以及31#～34#试样，随着服役时间的增加，屈服强度和抗拉强度降低，伸长率增加，力学性能劣化，其中13#、14#、33#和34#的抗拉强度不能满足GB 5310—2008要求，21#～23#服役时间相同，存在不同程度的短时高温过热，其中23#的抗拉强度较低，不能满足GB 5310—2008要求。

表2　20G力学性能

表3　12Cr1MoV力学性能

2.220G长期服役后的组织演化

图1为不同服役时间的20G显微组织，其中，图1（a）为服役时间2万h的20G显微组织，珠光体呈现大块状分布，珠光体区域中的碳化物呈现片状，基本没有分散，球化等级评定为2级；图1（b）为服役时间5万h的20G显微组织，珠光体基本上还是聚集形态，但是已经由块状向团絮状转变，碳化物开始分散，少量碳化物开始在晶界上聚集，有一定球化趋势，使得屈服强度和抗拉强度略有下降，球化等级评定为3级；图1（c）为服役时间达到10万h的20G显微组织，珠光体变为细小的团絮状，区域中的碳化物已经分散，并向晶界聚集，球化比较严重，使得抗拉强度较低，已经不能满足GB 5310标准要求，球化等级评定为4级；图1（d）为服役时间最长的20G显微组织，组织出现了严重球化状态，珠光体区域中的碳化物已经明显分散，在晶内分布着一部分细小的粒状碳化物，大部分碳化物扩散到晶界并长大，形成链状分布，颗粒大小不一，这种链状分布，降低晶界的强度，对性能影响极其不利，使得抗拉强度和屈服强度严重下降，不能满足GB 5310标准要求［6-7］，球化等级评定为5级。

图1　不同服役时间的20G显微组织

2.320G短时高温过热后的组织演化

图2　20G短时高温过热后的显微组织

图2为短时高温过热后的显微组织，这三个试样的服役时间相同，短时过热时间均为168h，但是由于炉膛内温度分布不均，短时高温过热程度不同，图2（a）过热温度为440℃，图2（b）过热温度为450℃，图2（c）过热温度为455℃。图2（a）显示的20G显微组织具有轻微的过热情况，珠光体基本呈现为块状分布，但是在局部位置，出现了针状铁素体从晶界向晶内生长，插入珠光体晶粒中，晶粒比较细小，晶粒尺寸为7～15μm，对性能影响较小，屈服强度和抗拉强度较高；图2（b）的20G显微组织过热情况进一步增加，晶粒比较粗大，晶粒尺寸为25～35μm，铁素体从晶界以针状形态深入珠光体内，打乱了珠光体的分布，对性能影响较大，屈服强度和抗拉强度降低，其中抗拉强度已经接近GB 5310标准要求的下限；图2 （c）的20G显微组织过热严重，晶粒粗大，晶粒尺寸为55～65μm，为粗大的针状铁素体从晶界向晶内成排生长，严重分割珠光体组织，珠光体中的碳化物部分呈现球化，形成了铁素体魏氏组织，对性能影响严重，抗拉强度严重降低，不能满足标准要求。

2.412Cr1MoV长期服役后的组织演化

图3为不同服役时间的12Cr1MoV显微组织，其中，图3（a）为服役时间为2万h的12Cr1MoV显微组织，由铁素体基体加聚集形态的珠光体组成，其中的碳化物基本呈现片状分布，球化程度较轻，力学性能较高，球化等级评定为2级；图3（b）为服役时间4万h的12Cr1MoV显微组织，聚集形态的珠光体区域内碳化物已经开始分散，成为球状分布，其组成仍然较为致密，少量碳化物开始在铁素体基体上弥散析出，屈服强度和抗拉强度略有下降，球化等级评定为3级；图3（c）为服役时间达到6万h的12Cr1MoV显微组织，珠光体向晶界聚集，碳化物开始分散，一部分呈现球状分布，另一部分珠光体的形态发生了明显改变，由块状变为细长状，主要沿着晶界分布，削弱了晶界的强度，导致抗拉强度较低，球化等级评定为3.5级；图3（d）为服役时间为12万h的12Cr1MoV显微组织，一方面，呈现聚集态的珠光体以细条状形态分布在晶界，其内部的碳化物开始分散，呈现球状，另一方面，在铁素体基体内部，析出了大量的细小的碳化物，这两方面对性能影响较大，使得抗拉强度和屈服强度严重下降，不能满足标准要求［8-10］，球化等级评定为4级。32#和33#尽管球化级别一致，但是由于33#的珠光体的形态及分布位置不利，从而导致抗拉强度要远低于32#，力学性能已经不能满足标准要求，因此，材料性能除了与球化等级有关外，还与珠光体的形态及分布位置有关。

图3　不同服役时间的12Cr1MoV显微组织

3　结论

1）随着20G耐热钢服役时间的增加，球化程度逐渐增加，碳化物开始分散，并向晶界移动，形成链状分布，抗拉强度和屈服强度下降，力学性能劣化。

2）随着20G耐热钢短时高温过热程度的加剧，晶粒尺寸逐渐增加，针状铁素体成排向晶内生长形成粗大的魏氏组织，严重降低力学性能。

3）随着12Cr1MoV耐热钢服役时间的增加，块状珠光体变为细长状，沿着晶界分布，同时在铁素体基体内析出细小的碳化物，抗拉强度和屈服强度下降，力学性能劣化。

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中图分类号：X933.2

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）02-0037-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.009

作者简介：付坤（1983～），男，硕士，工程师，主要从事承压设备金属检测及焊接工艺。

收稿日期：（2015-07-17）

Evolution of Microstructure and Properties of Pearlite Heat Resistant Steel During Service

Fu Kun1Wang Changcai1Hu Lianhai2Xue Feng1Zhou Shuchang1
（1. Hebei Super Vision and Inspection Instidute of Boiler and Pressure Vessel Shijiazhuang 050061）
（2. Materials Science and Engineering Institute，Shijiazhuang Tiedao University Shijiazhuang 050043）

AbstractAccurate service life assessment of pearlitic heat-resistant steel used for power station boiler has important value. Evolution of microstructure and properties of 20G steel and 12Cr1MoV steel under different operating condition is analyzed. Experimental results show that with the increase of service time，spheroidization of 20G heat resistant steel becomes grave，carbide diffuses to grain boundary and forms a chain distribution，and pearlite of 12Cr1MoV heat resistant steel becomes slender and distributes in grain boundaries，which weakens the strength of the grain boundary. Therefore，the tensile strength and yield strength decrease and cannot meet the standard requirements. With the increase of high temperature short-time overheating process，the grain size of 20G steel increases. The coarse widmanstatten structure seriously reduces the mechanical properties.

KeywordsPearlite heat resistant steel Pearlitic spheroidization Microstructure Mechanical properties