B质量分数对620℃时效中FB2钢组织和力学性能的影响.pdf
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1、第 54 卷第 7 期2023 年 7 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)Vol.54 No.7Jul.2023B质量分数对620 时效中FB2钢组织和力学性能的影响陶学儒1,耿鑫1,姜周华1,李扬1,彭雷朕2(1.东北大学 冶金学院,辽宁 沈阳,110819;2.中国第二重型机械集团有限公司,四川 德阳,618000)摘要:通过扫描电镜、拉伸性能测试和硬度测试等对620 长期时效中不同B质量分数的FB2钢进行组织观察和力学性能分析。研究结果表明:在FB2钢620 长期时效中,M23
2、C6相的平均尺寸随时效时间的延长逐渐增大,其平均尺寸随B质量分数的增加而逐渐减小;Laves相在时效1 000 h后析出,并且随着时效时间的延长不断长大粗化,其平均尺寸随B质量分数的增加而逐渐减小;BN夹杂物的析出量随B质量分数的增加而逐渐增大。FB2钢的拉伸性能随着时效时间的延长而逐渐减弱,随B质量分数的增加先增强后减弱,并且在B质量分数为0.010%时拉伸性能达到最强。FB2钢的硬度随着时效时间的延长而逐渐减小,随B质量分数的增加先增大后减小,并且在B质量分数为0.010%时硬度达到最大。当B质量分数由0增加到0.010%时,拉伸性能和硬度的增大是M23C6相和Laves相的平均尺寸的减小
3、所引起的;当B质量分数由0.010%增加到0.030%时,拉伸性能和硬度的减小是BN夹杂物析出量的增加所导致的。为充分发挥钢中B、N的强化作用,同时提高FB2钢的高温性能及稳定性,钢中较优的B质量分数控制在0.010%左右。关键词:FB2钢;M23C6相;Laves相;BN夹杂物;拉伸性能;硬度中图分类号:TF7 文献标志码:A文章编号:1672-7207(2023)07-2642-09Effect of B mass fraction on microstructure and mechanical properties of FB2 steel aged at 620 TAO Xueru1
4、,GENG Xin1,JIANG Zhouhua1,LI Yang1,PENG Leizhen2(1.School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.China Second Heavy Machinery Group Co.Ltd.,Deyang 618000,China)Abstract:The organization observation and mechanical property analysis of FB2 steel with different B mass fractions i
5、n long-term aging at 620 were performed by scanning electron microscopy,tensile property test and hardness test.The results show that the average size of M23C6 phase gradually increases with the increase of aging time,and its average size gradually decreases with the increase of B mass fraction;the
6、Laves phase precipitates 收稿日期:2022 09 13;修回日期:2022 11 02基金项目(Foundation item):国家自然科学基金资助项目(51974076);国家重点研发计划项目(2016YFB0300203)(Project(51974076)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2016YFB0300203)supported by the National Key Research and Development Program of Chin
7、a)通信作者:耿鑫,博士,副教授,从事特殊钢冶金研究;E-mail:DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2023.07.011引用格式:陶学儒,耿鑫,姜周华,等.B质量分数对620 时效中FB2钢组织和力学性能的影响J.中南大学学报(自然科学版),2023,54(7):26422650.Citation:TAO Xueru,GENG Xin,JIANG Zhouhua,et al.Effect of B mass fraction on microstructure and mechanical properties of FB2 steel aged at 620 J
8、.Journal of Central South University(Science and Technology),2023,54(7):26422650.第 7 期陶学儒,等:B质量分数对620 时效中FB2钢组织和力学性能的影响after aging for 1 000 h,and grows and coarsens with the increase of aging time,and its average size gradually decreases with the increase of B mass fraction;the precipitation of BN
9、inclusions gradually increases with the increase of B mass fraction.The tensile properties of FB2 steel gradually decrease with the increase of aging time,increasing first and then decreasing with the increase of B mass fraction,and the tensile properties reach the maximum at 0.010%of B mass fractio
10、n.The hardness of FB2 steel gradually decreases with the increase of aging time,increasing first and then decreasing with the increase of B mass fraction,and reaches the maximum at 0.010%of B mass fraction.When the B mass fraction increases from 0 to 0.010%,the increase of tensile properties and har
11、dness is caused by the decrease of the average size of M23C6 and Laves phases;when the B mass fraction increases from 0.010%to 0.030%,the decrease of tensile properties and hardness is caused by the increase of BN inclusions precipitation.In order to give full play to the strengthening effect of B a
12、nd N in steel,and at the same time improve the high temperature performance and stability of FB2 steel,the better control of B mass fraction in steel is around 0.010%.Key words:FB2 steel;M23C6 phase;Laves phase;BN inclusions;tensile properties;hardness当前,大力发展超超临界火电机组是进行煤电机组结构优化的主要方向13。FB2钢是620、32 MP
13、a 超超临界条件下服役的汽轮机转子用钢45。在此工况条件下,超超临界火电机组的发电效率可达47.5%,CO2排放量相较于目前全球平均水平可降低约10%6。日本JCFC和JSW、韩国斗山重工等均采用电渣重熔(ESR)7生产大型FB2铸锭89。MX相、M23C6相、Laves相等是FB2钢中的主要析出相1012。FB2钢中的B可以取代原奥氏体晶界和马氏体板条界附近 M23C6中的部分 C,形成M23(C,B)6,从而起到稳定碳化物、抑制高温服役条件下碳化物长大粗化的作用1316。FB2钢中N析出的细小、弥散分布且高温服役条件下长大粗化速率较低的 MX 相,是 FB2 钢重要的高温强化相1718。但
14、是,FB2钢中B易于和N形成BN夹杂物,BN夹杂物的析出,不仅降低了钢中强化组元B、N的有效含量,且大尺寸BN易应力集中,诱发蠕变孔洞形核,对钢的高温性能不利1922。亚晶结构的稳定性被认为是决定质量分数为9%12%Cr 耐 热 钢 蠕 变 强 度 的 主 要 因 素2324。M23C6相的尺寸与亚晶的厚度相当,且遍布于晶界和亚晶界处,因此,在控制亚晶粗化上,M23C6相比MX相起着更重要的作用25。但是,在长期时效过程,M23C6相会长大粗化,进而对材料的性能产生不利影响2628,并且,会有粗大的Laves相在马氏体板条界或晶界析出,降低材料的性能2931。本文作者研究长期时效过程中,不同B
15、质量分数的FB2钢的组织及力学性能的变化。本研究的目的是探究长期时效过程中M23C6相和Laves相的长大粗化规律,以及B质量分数对FB2钢的组织及力学性能的影响。1 实验材料与方法利用30 kg真空感应炉冶炼5组不同B质量分数的FB2钢,具体成分如表1所示。试样首先在1 100 保温1 h,油淬冷却,然后在570 保温 2 h,空冷,一次回火,接着在700 保温2 h,空冷,二次回火,最后在620 下进行2 000 h的长表1实验用钢化学成分(质量分数)Table 1Chemical composition of experimental steel%试样1号2号3号4号5号B00.004
16、80.009 80.019 20.029 1N0.019 60.019 70.020 10.019 50.020 2C0.1420.1380.1400.1390.139Si0.0280.0290.0300.0290.027Mn0.3220.3190.3200.3230.317Cr9.3129.2989.3009.3229.308Mo1.4951.4981.5001.5031.493Co1.2261.2281.2271.2291.2228O0.001 50.001 30.001 80.001 30.001 3Ni0.1960.1990.2000.1970.198Nb0.0440.0450.047
17、0.0460.047V0.1990.1980.2000.1990.198S0.002 80.002 60.002 70.002 60.002 7Al0.003 30.003 80.003 20.004 10.003 4Fe87.00987.01686.99886.96686.9942643第 54 卷中南大学学报(自然科学版)期时效实验,在100、500、1 000、1 500和2 000 h取时效样,时效后空冷至室温。对不同的时效试样用维乐试剂(1 g 苦味酸+5 mL盐酸+100 mL无水乙醇)浸泡腐蚀6090 s时进行 SEMEDS(Care Zeiss Ultra Plus)分析。通过
18、SEMBSE分析可以从基体中区分出具有较大原子序数的Laves相,即M23C6相在SEM图片中显示为白色,在BSE图片中显示为灰色,而Laves相在SEM和BSE图片中均显示为白色。在此基础上,用Image-Pro Plus软件对析出相的尺寸和数量进行分析。采用日本岛津制造所生产的 AG-XPLUS 100 kN万能试验机,进行时效试样的室温拉伸实验,实验过程中应变速率为1 mm/min。硬度采用洛氏硬度(HRC)进行测试。2 实验结果与分析2.1B质量分数对时效中FB2钢析出相的影响使用Thermo-Calc 2019 a(TCFE9)计算不同B质量分数的FB2钢中M23C6含量的变化,对6
19、20 下不同B质量分数的FB2钢中的M23C6相的质量分数进行分析,如图1所示。从图1可以看出:620 下FB2钢中M23C6相的质量分数随着B质量分数的增加而逐渐降低,说明B起到了抑制M23C6相析出的作用。2号FB2钢不同时效时间后的SEM图如图2所示。从图2可知:随着时效时间的增长,M23C6相在晶界处聚集粗化,并且在晶界内部也可以观察到M23C6相粗化的现象。使用Image-Pro Plus软件对不同B质量分数的图1620 下FB2钢中M23C6相质量分数随B质量分数的变化Fig.1Change of M23C6 phase mass fraction with B mass frac
20、tion in FB2 steel at 620(a)0 h;(b)100 h;(c)500 h;(d)1 000 h;(e)1 500 h;(f)2 000 h图22号FB2钢不同时效时间后的SEM图Fig.2SEM images of No.2 FB2 steel after different aging times2644第 7 期陶学儒,等:B质量分数对620 时效中FB2钢组织和力学性能的影响FB2钢时效过程中的M23C6相的尺寸进行统计,如图3所示。从图3可以看出:随着时效时间的增长,M23C6相的平均尺寸逐渐长大。M23C6相的平均尺寸随着B质量分数的增加而逐渐减小,由此可见,
21、B元素可以抑制M23C6相的长大粗化,这与图1的热力学计算结果一致。在时效过程中,不仅会有 M23C6相的长大粗化,还会出现Laves相的长大粗化。使用Thermo-Calc 2019 a(TCFE9)计算不同B质量分数的FB2钢中Laves相质量分数的变化,结果如图4所示。从图4可以看出:FB2钢中的Laves相随着温度的升高而逐渐降低,回溶温度随着B质量分数的增加而逐渐降低。对 620 下不同 B 质量分数的 FB2 钢中的Laves相的质量分数进行分析,如图5所示。从图5可以看出:620 下FB2钢中的Laves相的质量分数随着B质量分数的增加而逐渐降低,说明B元素有抑制Laves相析出
22、的作用。对2号FB2钢的时效样进行BSE观察,如图6所示。从图6可以看出:时效进行到1 000 h开始析出Laves相。随着时效时间的增长,Laves在晶界处析出粗化,同时在晶界内部,也有部分Laves相析出粗化。这与XU等32研究的10%Cr马氏体铁素体钢长期时效过程中Laves相的形核与长大机理一致,即第一种机理是Laves相在M23C6型碳化物附近区域形核,在长大过程中它们会逐渐吞并邻近区域的M23C6,并且会造成C原子在Laves与M23C6相界附近的偏聚;第二种机理是Laves相在晶界或马氏体板条界独立形核,它们与其中一个晶粒共格而向邻近晶粒生长,而且第二种机理是 Laves相的主要
23、形核机理。使用Image-Pro Plus软件对不同B质量分数的FB2钢时效过程中的Laves相的尺寸进行统计,如图7所示。从图7可以看出:时效1 000 h开始析出Laves相,并且Laves相的平均尺寸随着时效时间的增长而逐渐增大,这说明Laves相在1 000 h时效后不断聚集粗化。Laves相的平均尺寸随着B质量分数的增加而逐渐减小,这说明B元素起到了抑制Laves相长大粗化的作用,这与图5所示的热力学计算结果一致。图3不同B质量分数FB2钢时效过程中M23C6相平均尺寸的变化Fig.3Change of average size of M23C6 in FB2 steel with
24、different B mass fractions during aging图5620 下FB2钢中Laves相质量分数随B质量分数的变化Fig.5Change of Laves phase mass fraction with B mass fraction in FB2 steel at 620 图4不同B质量分数的FB2钢中Laves相质量分数随温度的变化Fig.4Change of Laves phase mass fraction in FB2 steel with different B mass fractions with temperature2645第 54 卷中南大学学
25、报(自然科学版)2.2B质量分数对FB2钢中BN夹杂物的影响FB2钢中B和N易形成BN夹杂物,BN夹杂物的析出,不仅降低了钢中强化组元B、N的有效含量,且在服役条件下,大尺寸BN易应力集中,诱发蠕变孔洞形核,对钢的高温性能不利,钢中的 w(B)和w(N)关系应满足式(1)33。lgw(N)=-lgw(B)+6.812.45(1)其中:w(N)为钢中N质量分数;w(B)为钢中B质量分数。结合式(1)及FB2钢中w(N),可得FB2钢中合适的w(B),如图8所示。从图8可以看出:随着B质量分数的增加,钢中会析出BN夹杂物。使用Thermo-Calc 2019 a(TCFE9)计算不同B质量分数的F
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