服役时间对1Cr5Mo钢制高温紧固螺母显微组织和力学性能的影响

张腾雨，韩 涛，吴术全，江 峰，张志博，姜世凯

(1.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，西安 710049；2.西安热工研究院有限公司，西安 710054；3.华能沁北发电有限责任公司，济源 459012)

0 引 言

火电机组运行时，高温紧固件在温度、应力等的联合作用下，性能会逐渐下降并发生多种形式的失效，给电厂带来极大的隐患，甚至引起重大安全事故[1]。近年来，ALLOY783合金及蒸汽钢螺栓失效事件时有发生。螺栓的失效形式主要包括松弛失效、蠕变损伤、脆化、应力腐蚀和疲劳断裂等[2-3]。与螺栓相比，螺母由于工作环境和受力状态较好，损坏概率较小[4]。螺母的失效主要受温度影响，当长时间服役于高温条件下时，其显微组织会逐渐改变并产生退化，最终造成力学性能下降。目前关于火电厂紧固件的研究大多集中在螺栓失效分析方面，而对螺母在长期服役过程中组织和性能的变化研究相对较少。2018年某电厂因对服役螺母重视程度不够，中压主汽门阀盖螺母性能严重恶化，导致发生门盖冲脱飞出事件。由于部分材料的螺母是由汽轮机厂家自行研制的，因此标准中对于螺母性能的规定较少。

1Cr5Mo马氏体耐热钢目前广泛应用于高温炉管和汽轮机高温紧固件；铬元素有助于提高其抗氧化性能、耐腐蚀性能和组织稳定性能，适量的钼则保证了其在600 ℃以下具有较好的热强性[5-6]。马氏体耐热钢高温服役后也会出现性能下降的现象，国内外学者从多个角度对此进行了研究。MARUYAMA等[7]和石如星等[8]认为，回火马氏体中的马氏体板条和析出相会阻碍位错亚结构在长期高温下的回复，极大减缓马氏体耐热钢的回火速率，从而获得更加稳定的高温力学性能。YANO等[9]对两种铬含量(质量分数，下同)均为11%的马氏体钢进行长期热时效后发现，当时效温度低于550 ℃时，钢的硬度变化很小，当温度超过600 ℃时，硬度明显下降。然而目前，相关研究大多集中在铬含量为9%～12%的高铬马氏体耐热钢方面，较少涉及铬含量较低的马氏体耐热钢，如1Cr5Mo钢等在高温长期服役后的组织和性能变化。

某火电厂超临界机组于2004年9月投产，汽轮机侧温度为566 ℃，高导管法兰螺母材料为1Cr5Mo钢。2017年12月电厂机组临检时发现该螺母硬度发生大幅下降，存在较大的失效风险，无法达到螺母30 a的设计使用寿命要求。为了查明1Cr5Mo钢制火电机组螺母长期服役后性能下降的原因，作者对未服役螺母进行高温(566 ℃)时效试验(等效于服役)，研究了服役时间对显微组织和力学性能的影响。该研究可以为火电机组高温紧固件设计选材提供技术支持，对保证火电机组的安全运行具有指导意义。

1 试样制备与试验方法

试验材料为未服役和在上述超临界火电机组服役约105h的1Cr5Mo钢制螺母，化学成分见表1。其中，碳和硫元素含量由CS-344型红外碳硫分析仪测定，磷元素含量由乙酸乙酯萃取法测定，其他元素含量由ICP-AES型全谱直读等离子体发射光谱仪测定。该螺母在服役前后的化学成分几乎不变，符合哈尔滨汽轮机厂有限责任公司企业标准B/HJ417-2004《金属材料技术条件》对1Cr5Mo不锈钢紧固件的规定。在566 ℃下对未服役螺母进行连续高温时效试验，时效时间分别为1 440，2 880 h。

表1 服役前后1Cr5Mo钢制螺母的化学成分(质量分数)

在螺母上取样，经打磨、抛光后，使用氯化铁盐酸溶液(10 g FeCl3+20 mL HCl+40 mL H2O)腐蚀20 s，通过Nikon ECLIPSE MA200型倒置光学显微镜和S-2700型钨灯丝扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织，利用SEM附带的能谱仪(EDS)对碳化物成分进行半定量分析。根据GB/T 231.1-2018，使用HB-3000C型布氏硬度计测定硬度，每个试样测3个点取平均值。根据GB/T 228.1-2010，在螺母上截取圆柱形拉伸试样，使用MTS 880型电液伺服材料试验机进行室温拉伸试验，拉伸试样直径为5 mm，引伸计标距为25 mm，拉伸应变速率为0.6×10-3s-1。根据GB/T 229-2007，在螺母上截取尺寸为55 mm×7.5 mm×10 mm的标准冲击试样，开V型缺口，使用JBC-300型电子测力冲击试验机进行室温冲击试验，冲击速度为5.2 m·s-1。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可以看出，未时效(未服役)1Cr5Mo钢制螺母的显微组织为回火马氏体，在566 ℃时效1 440，2 880 h后组织未发生明显改变。这说明在不高于566 ℃下，1Cr5Mo钢的显微组织转变是一个极其缓慢的过程。服役105h后马氏体板条完全消失，形成了以铁素体为基体、基体上分布着细小均匀碳化物的复相组织，即回火索氏体，螺母组织发生一定程度的退化。

由图2可以看出，未服役螺母基体上弥散分布着大量白色碳化物，在566 ℃下随着时效时间(亦即服役时间)的延长，碳化物逐渐向晶界处迁移富集，并且发生明显的粗化，基体内的碳化物大幅减少。

由图3可知：未服役1Cr5Mo钢制螺母基体内碳化物的主要组成元素为铁，此外还含有少量的铬、钼等元素；服役105h后，晶界处析出的碳化物中铬、钼等合金元素含量大幅增加，铁含量下降，推测该碳化物为M23C6(M为铁、铬、钼)。由上述结果推测：未服役螺母中的铬、钼等合金元素均匀地固溶在基体内，起到固溶强化和弥散强化作用；经长时间服役后，这些合金元素由基体向晶界迁移富集，形成M23C6碳化物，造成基体中合金元素一定程度的贫化。随着时效时间延长，M23C6碳化物发生粗化，一方面是由于1Cr5Mo马氏体钢组织中回火析出的细小弥散的碳化物颗粒的界面能非常高，在长期高温条件下，这种碳化物颗粒易发生长大[10-13]；另一方面，1Cr5Mo马氏体钢为过饱和固溶体钢，基体中固溶的合金元素在长期高温作用下会发生脱溶，并向碳化物中扩散，从而促进碳化物颗粒的长大[14]。碳化物的不断析出消耗了大量合金元素和碳元素，造成基体元素不断脱溶，从而导致马氏体分解。晶界处碳化物的粗化和马氏体的分解过程是一致的。

图1 在566 ℃下时效不同时间前后以及服役105 h后1Cr5Mo钢制螺母的显微组织

图2 在566 ℃下时效不同时间前后以及服役105 h后1Cr5Mo钢制螺母的SEM形貌

图3 未服役和服役105 h后1Cr5Mo钢制螺母中碳化物(位置见图2)的EDS谱

图4 时效前后以及服役105 h后1Cr5Mo钢制螺母的冲击断口形貌

2.2 力学性能

未服役1Cr5Mo钢制螺母的硬度为255 HB，符合B/HJ417-2004中1Cr5Mo不锈钢紧固件毛坯硬度在248～302 HB的出厂要求；时效1 440，2 880 h以及服役105h后螺母的硬度分别为215，197，164 HB。可见，经时效和实际服役后螺母的硬度发生大幅度降低。由表2可知，随着时效/服役时间的延长，1Cr5Mo钢制螺母的强度和冲击功均发生大幅度下降。结合组织变化分析可知：在566 ℃下服役105h后，1Cr5Mo钢中的回火马氏体分解，形成了回火索氏体组织；未服役基体上弥散分布的碳化物可以起到钉扎位错，提升基体强度的作用，而随着服役时间的延长，碳化物在晶界处析出且粗化，削弱了固溶强化和第二相强化效果。因此，螺母的强度和冲击功下降。服役105h后螺母的断后伸长率提高约5%，这是因为服役105h后的组织由回火马氏体转变为回火索氏体。回火索氏体是铁素体与碳化物构成的复相组织，该组织铁素体中的碳含量较少，碳化物呈球状分散且稳定；这种组织与回火马氏体相比具有更高的塑性。

表2 时效前后以及服役105 h后1Cr5Mo钢制螺母的力学性能

由图4可以看出：未时效和在566 ℃时效1 440 h后螺母的冲击断口存在大量韧窝，表现出明显的韧性断裂特征；相同温度服役105h后螺母的冲击断口则呈脆性断裂特征，断裂方式为沿晶断裂，这与其冲击功急剧下降的试验结果一致。

3 结 论

(1) 在不高于566 ℃的条件下，1Cr5Mo钢制螺母的显微组织转变十分缓慢，当服役时间为2 880 h时，显微组织仍由马氏体和碳化物组成，服役约105h后，显微组织转变为回火索氏体；随着服役时间的延长，碳化物由晶内向晶界处迁移富集，并发生明显粗化。

(2) 随着服役时间的延长，螺母的硬度、强度和冲击功均大幅下降，断后伸长率有所增加；当服役时间不长于1 440 h时，其冲击断裂形式为韧性断裂，服役约105h后为沿晶脆性断裂。