HR3C奧氏體耐熱鋼具有優異的抗高溫蠕變性、抗高溫氧化性和抗煙氣腐蝕性，被廣泛應用于火電機組的過熱器和再熱器中，由于其合金元素含量高于傳統的18Cr-8Ni系列不銹鋼，故高溫服役過程中該鋼組織的演變也有明顯不同。 

目前已有不少國內外學者對HR3C耐熱鋼高溫服役后的顯微組織演變進行了研究，得到HR3C耐熱鋼管內的第二相主要是M23C6、NbCrN和Nb(C,N)相3種，以及少量的MX相、σ相和M6C相[1-3]，而HR3C鋼是通過彌散析出的第二相產生沉淀強化，從而獲得了優異的高溫力學性能，但隨著高溫服役過程中組織的進一步演變，材料會出現晶界脆化傾向[4-6]。已有研究[7-10]表明，奧氏體耐熱鋼的蠕變破壞源于晶界,因此研究晶界的演變過程對分析HR3C鋼的使用性能尤其重要。 

此外，也有學者研究了不同服役時間和溫度下HR3C鋼的顯微組織、力學性能的變化[11]，但少有對顯微組織的定量分析，以及顯微組織與力學性能對應關系的研究，且少有相關標準、文章對HR3C鋼組織的老化程度進行評判分級。 

筆者主要對某機組同批次的HR3C高溫過熱器鋼管的顯微組織和力學性能進行研究，初步建立起該鋼顯微組織和力學性能的關系，并討論不同老化程度時其顯微組織和力學性能特征，結果可為HR3C鋼的實際應用提供借鑒。 

1.   試驗材料及試驗方法

某已運行超過12萬h超超臨界鍋爐的過熱蒸汽出口溫度為605 ℃，蒸汽壓力為26.15 MPa，在高溫過熱器同一管屏上取樣，編號分別為2~6號，根據煙氣走向及管內介質流向，2~6號試樣的實際服役溫度依次升高。另取1根同批次但未經投運使用的新管，編號為1號試樣，對6根試樣進行金相檢驗、力學性能測試、掃描電鏡（SEM）及能譜分析，測試分析不同服役條件下6根試樣的顯微組織和性能。 

由于受熱面管存在迎煙側與背煙側，不同位置的顯微組織有較大差異，故在管子的同側截取金相試樣與力學性能試樣，從而保證材料的顯微組織與力學性能一一對應。 

2.   試驗結果及分析

2.1   金相檢驗

使用線切割機在所選取試樣上截取橫截面金相試樣，試樣經鑲嵌、打磨、機械拋光后，再使用王水對試樣進行腐蝕。 

圖1為6根試樣的顯微組織形貌。由圖1可知：1號試樣為未經投運使用的新管，孿晶界比晶界更加清晰，視野內不規則分布著少量第二相；2號和3號試樣顯微組織接近，晶界清晰呈粗線狀，孿晶界不再清晰可見，其中3號試樣比2號試樣晶內彌散分布著更多細小的第二相；4號試樣晶界第二相粗化、合并，使得晶界呈條狀，晶內有較多的顆粒狀和針狀第二相；5號和6號試樣比4號試樣的晶界粗化更為嚴重，晶內第二相數量、尺寸增大得更為明顯，基體內密集分布著顆粒狀和針狀的第二相，晶界部分第二相在制樣過程中脫落，形成黑色的坑洞，其中6號試樣晶內遍布著顆粒狀和針狀第二相，使得晶界不再清晰可見。參考DL/T 1422—2015 《18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評級標準》中18Cr-8Ni系列不銹鋼組織老化特征，得到1~6號試樣的顯微組織老化程度依次加重。 

圖  1  HR3C鋼試樣的顯微組織形貌

2.2   室溫力學性能測試

對選取的6根試樣進行室溫力學性能測試，其抗拉強度及斷后伸長率如圖2所示。由圖2可知：6根試樣的抗拉強度、斷后伸長率均與組織的老化程度呈負相關，即組織的老化程度越高，抗拉強度和斷后伸長率越低。 

圖  2  HR3C鋼試樣的室溫力學性能

1號試樣的抗拉強度為878 MPa，斷后伸長率為44%，均為6根試樣的最高值。服役時間超過12萬h試樣的抗拉強度和斷后伸長率則因實際服役環境而存在較大區別，其中6號試樣的抗拉強度和斷后伸長率最低，分別為558 MPa和2.5%。根據ASME SA-213/SA-213M 《鍋爐、過熱器和換熱器用鐵素體和奧氏體合金鋼無縫鋼管規范》及GB/T 5310—2023《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求，材料為HR3C鋼的高壓鍋爐用無縫鋼管抗拉強度應不低于655 MPa，斷后伸長率應不低于30%，故5號和6號試樣的抗拉強度低于標準要求，2~6號試樣的斷后伸長率均低于標準要求。 

2.3   掃描電鏡分析

為了研究HR3C鋼管高溫服役狀態下顯微組織的變化，使用掃描電鏡觀察各試樣，結果如圖3所示。由圖3可知：晶界在掃描電鏡的Mix模式下更清晰，且晶界第二相的析出、長大和合并使得晶界寬度明顯增大，可以進行定量分析。晶內第二相的尺寸小、形狀多樣、分布不均，且存在第二相脫落的情況，難以對其進行定量分析。 

圖  3  HR3C鋼試樣的SEM形貌

對晶界寬度進行定量時，使用掃描電鏡對每根試樣的1/2壁厚處進行觀察，選取組織均勻的視場進行拍照，并在每張電鏡照片中測量5處晶界寬度，所選晶界應為視野中最寬的晶界或亞晶界，只對相鄰晶粒形成的晶界進行1次測量，從而計算各試樣晶界的平均寬度。 

部分用于測量晶界寬度的HR3C鋼試樣SEM形貌如圖4所示，測量結果如圖5所示。1號試樣的晶界寬度太小，故未對其進行測量。由圖4可知：2號和3號試樣的晶界呈粗線狀，是由顆粒狀第二相相連構成的，各處晶界寬度相近，主要為0.8~1.2 μm；4號試樣的晶界呈粗虛線狀，由粗化成顆粒狀和短棒狀的第二相相連構成，寬度約為1.4 μm；5號和6號試樣的晶界呈斷續條帶狀，由粗大第二相合并后形成，寬度有明顯增大，分別約為1.7 μm和2.3 μm，其中6號試樣晶界寬度非常不均勻，晶界寬度普遍超過1.8 μm，部分區域出現超寬的晶界或亞晶界，局部區域寬度可達4 μm；5號和6號試樣的晶界（主要是三晶交界處）開始出現大尺寸第二相，且部分大尺寸第二相在制樣過程中脫落。 

圖  4  部分用于測量晶界寬度的HR3C鋼試樣SEM形貌

圖  5  HR3C鋼試樣晶界寬度測量結果

晶內第二相雖然難以進行定量，但根據試樣的SEM形貌，可大致將晶內第二相的析出情況分成4類。第一類（1號試樣）晶內只分布著零星的大尺寸第二相；第二類（2，3號試樣）晶內有少量的細小顆粒狀或針狀第二相；第三類（4號試樣）晶內第二相開始粗化，部分第二相與晶界第二相尺寸相近，且局部有顆粒狀、針狀和短棒狀第二相密集析出；第四類（5，6號試樣）晶內遍布密集析出的顆粒狀、不規則狀、針狀、短棒狀的第二相。 

2.4   能譜分析

為確定HR3C鋼在高溫服役過程中析出第二相的種類，對6號試樣進行能譜分析，結果如圖6和表1所示。Nb(C，N)相主要是供貨態鋼管中原有的富Nb相，尺寸較大、形狀不規則、塑性較差，且與基體結合力較弱，但該相在服役過程中不會發生明顯變化。由圖6可知：譜圖1位置為晶內大尺寸第二相，富含Nb、N元素，結合其形貌可知，該相應為富Nb相；譜圖2位置為寬度明顯增大的晶界；譜圖3位置為晶內小尺寸單顆粒第二相，譜圖2，3位置的第二相化學成分相同，主要成分為Fe、Cr、Ni元素，且含量相近，為同種第二相，結合其所處位置及形貌，可知該相為M23C6相；譜圖4位置即為σ相，該相位于三晶交界處，主要化學成分為Fe、Cr、Ni元素。表1已排除C元素后重新進行歸一化處理。 

圖  6  6號試樣SEM形貌及能譜分析結果

M23C6相在晶界及晶內均有析出，但多分布于晶界，尤其是大角晶界處，極易引起晶界的脆性，且隨著服役時間的延長，M23C6相快速長大，在晶界上形成鏈條狀或顆粒狀，晶內的M23C6相粗化后形狀不規則；晶界上已經析出的M23C6相會繼續向著晶內生長而變大變厚。NbCrN相分布在晶界附近和基體中，主要分布在位錯線上，呈觸須狀或短棒狀，不會因時效時間的延長而發生明顯粗化，但數量會大幅增多。5號和6號試樣晶內密集析出的針狀、短棒狀的第二相均為NbCrN相。 

此外，在700 ℃和750 ℃長期時效過程中，HR3C鋼晶界會析出四方結構的σ相[12]，且σ相會使奧氏體耐熱鋼的塑性明顯下降[13-14]。 

2.5   高溫力學性能測試

綜合考慮所選試樣的顯微組織與室溫力學性能，5號試樣晶界開始出現大尺寸第二相，晶內第二相密集析出，且室溫抗拉強度及斷后伸長率均低于標準下限值（655 MPa），故只對5號試樣進行高溫力學性能測試。 

在5號試樣上取樣，并對試樣進行650 ℃短時拉伸試驗，得到屈服強度為178 MPa，抗拉強度為381 MPa，斷后伸長率為13.3%，高溫規定延伸強度符合GB/T 5310—2023的要求。 

3.   結論

（1）未老化（初始態）狀態下材料的孿晶界比晶界更為明顯，除少量呈不規則形狀的大尺寸富Nb相外，幾乎觀察不到其他第二相，室溫抗拉強度不小于655 MPa，斷后伸長率不小于30%。 

（2）輕度老化狀態下材料的晶界呈粗線狀，寬度約為1 μm，晶內彌散分布著少量細小的顆粒狀M23C6相和針狀NbCrN相，室溫抗拉強度不低于655 MPa，斷后伸長率約為20%。 

（3）中度老化狀態下材料的晶界呈粗虛線狀，寬度約為1.4 μm，晶內顆粒狀M23C6相開始粗化，針狀NbCrN相開始大量析出，局部出現第二相密集析出區域，室溫抗拉強度依舊不低于655 MPa，但斷后伸長率約為15%。 

（4）重度老化狀態下材料的晶界寬度普遍超過1.6 μm，可能出現超寬的晶界或亞晶界，局部寬度可超過4 μm，部分三晶交界處存在大尺寸σ相，晶內普遍分布著粗化呈球狀和保持顆粒狀的M23C6相，同時針狀NbCrN相也密集析出，室溫抗拉強度已低于655 MPa，斷后伸長率低于5%。

文章來源——材料與測試網