电厂运行金相——合金元素的再分配与热脆性

      三、合金元素的再分配
      高温的长期作用，使合金元素由固溶体转入碳化物，而使钢由于固溶体中的强化元素的极度贫化而产生软化。
      低合金热强钢由于加入合金元素、使用温度和原始热处理状态的不同，能够形成不同类型的碳化物。一般情况下，原始状态主要是M3C型碳化物，经过高温长期运行后，碳化物将由M3C型转变为M7C3和M23C6型。M7C3和M23C6型是复杂结构的碳化物，它们中合金元素含量的百分比要比M3C高，从而使合金元素在固溶体中的浓度相应地下降。
      在高温长期作用下，低合金热强钢会产生软化现象，软化的原因在于固溶体中含钼量减少及碳化物本身的球化。当碳含量越高，同时钼含量越低时，钢材的软化速度也就越快。
      固溶体与碳化物之间合金元素的再分配也可以发生在奥氏体钢中。
      当钢中加入能强烈地形成碳化物的元素（如Nb、V、Ti等）后，强化固溶体的合金元素的再分配扩散过程大大减慢了。如果钢中同时加入钒和铌时，钼的扩散更趋缓慢。
      四、热脆性
      在蠕变条件下长期工作的热强钢部件，如工作温度在400~550℃范围，而使室温冲击韧性下降的现象称之为热脆性。
      热脆性发展的速度取决于钢的化学成分和原始热处理状态，即决定于组织特性和它的稳定性。组织相当温度的钢对热脆性的敏感性是很小的，相反，随温度和时间的作用，组织不太稳定的钢对热脆性的敏感性就较高。由于热脆性的发展，冲击韧性降低至某一最低值后，随着时间的延长，冲击韧性不再发生变化，也可能还稍许增加。由于所有的钢在某种程度上都对热脆性具  有敏感性，所以在实际生产中必须尽量减少钢的热脆性发展，从而使钢在具有一定的使用期限和温度参数下，确保安全的性能指标（强度、冲击韧性、塑性等）。
      目前，对钢的热脆性机理的研究工作还在继续，比较多的观点认为珠光体钢的热脆性和回火脆性是一致的。它们主要表现在：（1）温度作用的时间愈长，脆性开始发展的温度愈低；（2）除明显地降低室温冲击韧性外，其他性能变化不大；（3）钢的脆性敏感性取决于化学成分，尤其是合金元素及磷、氮等杂质元素的含量；（4）钢中加入适当的钼、钨会减少钢的脆性敏感性；（5）热脆性和回火脆性均为可逆的组织变化过程。
      影响钢材热脆性的因素很多，合金元素和热处理工艺对热脆性有一定影响，合金元素Mn和Cr易于产生热脆性，W和V是属于减弱热脆性的元素。磷的存在，增大钢的热脆倾向。保温时间对热脆性有一定影响。出现热脆性的温度区间是400~550℃。因此当部件的工作温度有较大波动时，则出现热脆性的倾向变小，这是由于当部件在低于400℃或高于550℃时并不引起热脆的缘故。此外，热脆性的出现与应力集中现象的存在也有一定的关系。总之，使钢材产生热脆性的这个温度区间正是许多锅炉、汽轮机元件的工作温度范围，因此动力设备用钢，应当特别注意热脆性的发展。
      在动力设备常用的高温部件中，比较明显的是用于温度540℃范围左右的高温紧固螺栓钢25Cr2Mo1V。它在长期使用后有冲击韧性值降低，脆性敏感性增大的现象，甚至会发生螺纹缺口应力集中部位脆性断裂的微信。脆断25Cr2Mo1V钢螺栓，当采用特定的侵蚀剂来侵蚀试样时，其金相组织常常可以发现有明显的网状晶界，这一点，已被大量的实践所证实。关于网状晶界的本质究竟是什么，长期以来是有争论的。有人认为网状晶界是与25Cr2Mo1V钢发生脆化过程中在原奥氏体晶界上出现的磷等杂质元素的富集有关。
      对于长期使用后发生脆化的25Cr2Mo1V钢高温紧固螺栓，可以用恢复热处理的方法减少或消除脆性。
      在主蒸汽管道检查中发现有些12Cr1MoV钢主蒸汽管道室温冲击韧性值降低。金相组织管材表明，脆性的发展与高度弥散的碳化物析出有关。凡晶内存在大量的弥散碳化物群，其冲击韧性值就低。但这些碳化物聚集长大时，冲击韧性就升高。造成室温冲击韧性值降低的原因与管材原始热处理不佳引起的组织不均匀性有关。