柯 浩，張曉昱，歐陽杰，孫 濤，徐雪霞，閻光宗

（河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021）

0 引 言

熱電廠高溫再熱器管等常用的T91 鋼的強化機制和傳統(tǒng)耐熱鋼的有很大差異，其在長期運行過程中組織形態(tài)及常溫力學性能變化不太顯著，因此需要采用新的檢測方法對其在運行過程中的老化特征進行識別和標定，并分析其運行趨勢及特點，以確保設備的安全運行。

為進一步研究T91 鋼長期運行后性能的變化規(guī)律，作者對某電廠運行11.5萬h和6萬h的T91再熱器管段以及原始管段進行系列示波沖擊試驗，著重研究了其長期運行后韌性的變化趨勢，并測定了其運行11.5萬h后的韌脆轉變溫度（FATT50），最后結合斷口特征及沖擊性能研究了T91 鋼韌性的變化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗方法

試樣均選自某發(fā)電廠9 號爐高溫再熱器T91鋼管，再熱器的工作壓力為2.4 MPa，溫度為540 ℃，鋼管規(guī)格為φ51 mm×4 mm。1 號試樣取自再熱器左數第49排外1圈，其運行了11.5萬h；2號試樣取自同樣運行條件下的再熱器管，運行時間為6萬h；3號試樣取自原始管段。

采用RKP450型示波沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗，1 號試樣的沖擊溫度分別為-100，-80，-60，-50，-40，-20，0，27（常溫），40，60，80 ℃，并測定其FATT50；2、3 號試樣的沖擊溫度分別為27（常溫），-20，-50，-80，-100 ℃；夏比沖擊試驗依據GB／T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》和GB／T 19748-2005《鋼材夏比V 型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法》進行。示波沖擊試驗機的標稱能量為300J，擺錘刀刃半徑為8mm，所有試樣均為2.5mm×10mm×55mm 的非標小試樣，開V 型缺口。在進行高溫及低溫沖擊試驗時，考慮到試樣尺寸較小，散熱較為嚴重，故對試樣的過冷和過熱溫度補償值進行了調整，補償范圍為4～5 ℃。

通過FEI Quanta 400型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，以確定解理斷面率。

2 試驗結果與討論

2.1 沖擊韌性

由表1可見，1號試樣在0，27，40，60，80 ℃（上平臺溫度）的平均沖擊吸收能（AKV8）均在21.6～24.4J之間，在0 ℃以下（下平臺溫度）的AKV8為5～11.1J。

由圖1可知，1號試樣的FATT50為-40 ℃，其在0 ℃以上進行沖擊試驗時表現(xiàn)為100%剪切斷裂（40，60，80 ℃下的解理斷面率與27 ℃下的十分相近，圖中略），在-100 ℃以下時為純解理斷裂，可見，T91鋼在長期運行后仍具有優(yōu)良的塑韌性。由圖1還可以看出，在27 ℃時，三個試樣的斷口均為1 00%剪切斷裂；在-20～-100℃之間時，1號試樣的解理斷面率最高（韌性最差），3號試樣的解理斷面率最低（韌性最好），2號試樣的解理斷面率介于這兩者之間。這說明隨著運行時間的延長，T91鋼的韌脆轉變溫度出現(xiàn)了明顯的上升趨勢，這是材料塑韌性下降的一個重要標志。

表1 1號試樣在不同溫度下的沖擊性能Tab.1 Impact characteristics of sample 1at different temperatures

圖1 1～3號試樣在不同溫度沖擊后斷口的解理斷面率Fig.1 Cleavage cross section rate of fracture in samples 1，2 and 3after impacting at different temperatures

一般認為在沖擊試驗中，當達到最大力時，裂紋在沖擊試樣缺口處產生，因此把沖擊最大力作為裂紋形成的依據，最大力之前所消耗的能量稱為裂紋形成能Wi，最大力之后所消耗的能量稱為裂紋擴展能Wp。由表1可以看出，1號試樣在上溫度平臺的塑性很好，裂紋在擴展過程中只產生裂紋穩(wěn)定擴展，與圖1中對應斷口的解理斷面率為0一致；沖擊溫度為-100 ℃時，僅出現(xiàn)裂紋不穩(wěn)定擴展，與圖1中對應斷口的解理斷面率為100%一致；沖擊溫度在-20～-80 ℃時，同時具有穩(wěn)定和不穩(wěn)定的裂紋擴展，相應斷口中的剪切斷裂和解理斷裂各占一定比例，如圖2所示。

圖2 1號試樣在不同沖擊溫度下的斷口形貌Fig.2 Fracture images of sample 1 at sifferent impact temperatures：（a）cleavage fracture rate of 27%,-20°C and（b）cleavage fracture rate of 56%,-60°C

剪切斷裂和解理斷裂斷口的微觀形貌如圖3所示，它們是判斷解理斷面率的重要依據。

圖3 1號試樣在不同沖擊溫度下典型斷口擴展區(qū)的SEM形貌Fig.3 Typical fracture propagatin zone images of sample 1 at different impcact temperatures：（a）dimple,27°C and（b）quasi-cleavage,-60°C

由于試樣的厚度很小，僅為2.5 mm，這使得1號試樣的裂紋形成能Wi及裂紋擴展能Wp等特征值有一定誤差。由表1 可見，Wi／AKV8的分散度較大，但總的趨勢是隨溫度升高Wi／AKV8減小，即溫度升高后裂紋形成能Wi所占比例減小，但在上溫度平臺時Wi／AKV8隨溫度的升高變化不大。

另由表1可見，裂紋擴展能Wp隨溫度升高而增加，即材料抵抗裂紋擴展的能力提高。

2號和3 號試樣的變化趨勢與1 號試樣的相同，都是隨著試驗溫度的升高，沖擊功AKV8和裂紋擴展能Wp增大，即材料的韌性和抵抗裂紋擴展的能力提高。沖擊斷口的形貌均有明顯的韌窩區(qū)和解理區(qū)（圖略），只是隨著溫度升高，解理斷面率減小。

由表2，3和圖4可見，隨著沖擊溫度升高，三個試樣的裂紋擴展能Wp均增加，即材料抵抗裂紋擴展的能力提高；在相同的溫度下，3號試樣的裂紋擴展能Wp最大，2號試樣的最小，這與斷口的解理斷面率隨溫度變化的規(guī)律不同。在相同溫度下，原始管段（3號試樣）的裂紋擴展能Wp最大，而運行6萬h與11.5萬h的Wp接近。分析認為，運行后由于組織老化，碳化物在晶界析出，鏈珠狀碳化物增加，晶內彌散碳化物減少，導致晶界弱化，使得裂紋擴展能量Wp減小，但是T91鋼的位錯強化明顯，運行前期位錯密度下降明顯，伴隨著前期位錯運動的結果是亞結構出現(xiàn)初期兼并，促成亞結構略有降低；運行后期T91鋼位錯密度雖有降低，但趨于穩(wěn)定，因此運行6 萬h 與11.5 萬h 的 裂 紋 擴 展 能Wp變 化不大。

表2 2號試樣在不同溫度下的沖擊性能Tab.2 Impact characteristics of sample 2 at different temperatures

表3 3號試樣在不同溫度下的沖擊性能Tab.3 Impact characteristics of sample 3 at different temperatures

圖4 1～3號試樣在不同溫度下的裂紋擴展能Fig.4 Crack propagation energy of samples 1，2and 3after impacting at different temperatures

2.2 討 論

試驗所用試樣為非標小試樣，這對試驗結果產生了一定影響，同時給裂紋形成能Wi和裂紋擴展能Wp等的判斷帶來了一定誤差。

根據前人對寬度為10 mm 標準試樣及寬度為7.5，5 mm 小試樣的示波沖擊試驗研究結果可知［1］，隨著試樣尺寸的減小，脆性轉變溫度降低，并且在韌-脆混合斷裂區(qū)非標小試樣與標準試樣的Ak不能相互換算，因為裂紋擴展能Wp隨試樣厚度的變化不呈線性關系。

測得1號試樣的FATT50為-40 ℃，理論上比實際值偏低。但是由于運行不同時間的試樣尺寸是一致的，故對于判斷高溫運行后材料發(fā)生脆化的趨勢而言，結果是可信的。

3 結 論

（1）T91鋼在高溫下運行11.5萬h后的韌脆轉變溫度（FATT50）為-40 ℃。

（2）T91鋼在高溫下長期運行后，解理斷面率增大，裂紋擴展能Wp降低，說明其韌性降低。

（3）T91鋼長期運行后仍具有優(yōu)良的塑韌性，0 ℃以上沖擊斷口為100%剪切斷裂，裂紋擴展過程中均只產生裂紋穩(wěn)定擴展，解理斷面率為0。

（4）隨沖擊溫度升高，原始管段以及運行不同時間后再熱器T91鋼管的裂紋擴展能Wp均增加；在相同溫度下原始管段的裂紋擴展能Wp最大，而運行6萬h與11.5萬h的Wp接近，這與T91鋼的組織老化和位錯強化機理有關。

［1］邱曉剛，楊勇.沖擊試樣尺寸與韌-脆轉變過程的試驗研究［J］.理化檢驗-物理分冊，2004，40（12）：599-602.