吳雙輝，許佳麗

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

奧氏體不銹鋼是指經(jīng)適當?shù)臒崽幚砗螅谑覝叵碌玫絾我粖W氏體組織的耐腐蝕鋼。奧氏體不銹鋼具有高低溫塑性、韌性和耐腐蝕性，應用極為廣泛[1]。Mn18Cr18N是汽輪發(fā)電機護環(huán)常用的奧氏體不銹鋼材料之一，其中C、Mn、N是穩(wěn)定奧氏體元素，使其具有無磁性，Cr元素的加入提高其耐腐蝕能力，Cr、Mn提高其淬透性，使Mn18Cr18N鋼的形變熱處理能力增強，通過冷變形強化使其具有較高的綜合力學性能[2-3]。由于護環(huán)的實際服役溫度在100 ℃左右，常規(guī)熱套工藝在300 ℃左右，火焰加熱的熱套方式由于溫度控制不穩(wěn)定而常常出現(xiàn)護環(huán)表面發(fā)藍甚至發(fā)黑的現(xiàn)象，即實際熱套溫度可能會達到600 ℃。吳雙輝等人[4]對Mn18Cr18N鋼進行了不同熱處理過程中晶界析出物的觀察和拉伸/沖擊性能測試，結(jié)果表明：在100 ℃和300 ℃保溫8 h以上未見晶界析出物，力學性能幾乎無變化，而在550 ℃保溫8 h以上晶界碳化物的析出將導致界面結(jié)合強度降低，使材料的塑性下降，斷裂由韌性向脆性方式轉(zhuǎn)變。任濤林等[5]針對國產(chǎn)護環(huán)鋼進行了室溫條件下帶缺口試樣的動態(tài)原位拉伸試驗，結(jié)果表明滑移和孿生是室溫下護環(huán)鋼的主要變形機制。林長青等[6]利用帶有拉伸臺的共焦激光掃描電鏡對Fe16Mn0．6C高錳鋼的高溫拉伸過程進行了原位觀察，發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，層錯能快速增加，當溫度為700 ℃時，材料處于塑性的低谷期。

以上可以看出，研究護環(huán)鋼在不同溫度條件下的斷裂機理對護環(huán)生產(chǎn)、安裝和使用過程中預防失效破壞具有非常重要的意義。本文利用帶有動態(tài)拉伸臺的掃描電鏡從微觀角度深入研究護環(huán)用Mn18Cr18N鋼在高溫拉伸狀態(tài)下性能及裂紋的萌生、擴展和斷裂機理。

1 試驗材料與方法

試樣用材料取自德陽萬鑫電站產(chǎn)品開發(fā)有限公司生產(chǎn)的護環(huán)中環(huán)切向部位，利用紅外碳硫儀(型號CS800)、等離子光譜儀(ICAP6300)和直讀光譜儀(型號Metal 75-80)測得各主要元素的含量，見表1。

表1 各主要元素含量

圖1所示為Mn18Cr18N鋼原位拉伸試樣尺寸圖，試樣全長為45 mm，試樣中間寬度為1.2 mm，試樣厚度為1 mm。在試樣中部兩側(cè)采用線切割加工一個半徑為9.34 mm的圓弧過渡區(qū)域，通過兩側(cè)加持端的圓弧定位到掃描電鏡的拉伸卡具上，在動態(tài)拉伸觀察的過程中，觀察晶粒內(nèi)部滑移線變化情況，裂紋萌生、擴展及斷裂的整個過程。

圖1 原位拉伸試樣圖

原位拉伸試樣經(jīng)200目砂紙粗磨、400目砂紙粗磨和600目砂紙細磨后，使用顆粒尺度為1～2.5 μm的金剛石噴霧劑進行機械拋光，拋光后采用10%過飽和草酸溶液進行電解腐蝕，最后在掃描電子顯微鏡(型號JSM-6510)上觀察，其內(nèi)置拉伸臺的最大拉伸載荷為2 kN，最大位移量為20 mm。本試驗中采用位移載荷控制，加載速率為10 μm/min，對于高溫原位拉伸實驗(100 ℃和600 ℃)，先以20 ℃/min升溫到預定溫度后，保溫10 min進行原位拉伸實驗。

2 理化分析及結(jié)果

2．1 金相組織

在室溫下奧氏體不銹鋼Mn18Cr18N組織是單一奧氏體組織，如圖2(a)所示。晶粒尺寸為100 μm左右，呈多邊形狀，在晶粒內(nèi)存在大量的滑移線和孿晶。當溫度升高到100 ℃，保溫1 h空冷后組織如圖2(b)所示，晶粒尺度未發(fā)生明顯變化，而當溫度升高到600 ℃，保溫1 h空冷后組織如圖2(c)所示，在晶界出現(xiàn)連續(xù)的析出物，在內(nèi)部滑移線產(chǎn)生鏈狀的析出物，對析出物進行能譜分析，析出物為M23C6，會嚴重影響材料的綜合力學性能[7]。

圖2 室溫下奧氏體不銹鋼Mn18Cr18N原始組織

2．2 原位拉伸性能

如圖3和表2所示，從Mn18Cr18N鋼室溫及高溫原位拉伸曲線及性能對比?？梢钥闯?，不同溫度原位拉伸均經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、最大力階段及應力下降階段，直至最終斷裂。材料的抗拉強度、屈服強度、瞬斷時應力隨著拉伸試驗溫度的提高而逐漸減小，斷后伸長率(最大位移)、瞬斷時裂紋尺寸隨著拉伸試驗溫度的提高而逐漸增大。

圖3 Mn18Cr18N鋼室溫及高溫原位拉伸曲線對比

表2 Mn18Cr18N鋼室溫及高溫原位拉伸性能對比

2．3 斷裂機理

2．3．1 裂紋萌生、擴展及斷裂機理

護環(huán)鋼在不同溫度下裂紋優(yōu)先在內(nèi)部晶界處、滑移與未滑移的位錯釘扎處萌生，裂紋擴展到晶界而終止，但當從試樣中部圓弧過渡邊緣產(chǎn)生裂紋與內(nèi)部裂紋合并使裂紋擴展到一定尺寸時，單位承載力超過材料的極限強度而發(fā)生瞬間斷裂。整個裂紋萌生、擴展、斷裂過程如下：

在拉伸初期，未達到屈服點之前，材料處于彈性階段，晶粒未發(fā)生變形，材料內(nèi)部未產(chǎn)生滑移線增殖，無明顯頸縮的現(xiàn)象發(fā)生。

材料過屈服點后，未達到最大拉應力前，晶粒發(fā)生變形，在晶粒內(nèi)部(包括孿晶)出現(xiàn)滑移線增殖現(xiàn)象(圖4(a))，無滑移線的晶粒產(chǎn)生單滑移線，有單滑移線的晶粒出現(xiàn)與原單滑移呈一定角度的多滑移線(圖4(b))，而高溫600 ℃，保溫29 min時在晶界及滑移線產(chǎn)生析出物(圖4(c))，在此階段過程中，隨著應力的增加，滑移線快速增殖，滑移線變粗變密，到達晶界處由于位錯釘扎而發(fā)亮，同時晶粒被逐漸拉長并發(fā)生頸縮現(xiàn)象(圖5)。

圖4 滑移線增殖

圖5 頸縮現(xiàn)象

過了最大力后，隨位移增加，力緩慢下降過程中，滑移線增多，在晶界及滑移區(qū)與未滑移區(qū)產(chǎn)生位錯釘扎，也就是高亮區(qū)，產(chǎn)生微裂紋，微裂紋沿著垂直于拉應力方向切割滑移線向晶粒內(nèi)部擴展，當裂紋擴展到晶界或?qū)\晶處而停止(圖6)。

圖6 內(nèi)部裂紋萌生及擴展

在力快速下降過程中，從試樣中部圓弧過渡邊緣產(chǎn)生裂紋，當裂紋擴展到一定尺寸時，中部優(yōu)先萌生的微裂紋互相合并與邊緣裂紋合并后發(fā)生瞬間斷裂(圖7)。

圖7 邊緣裂紋萌生、擴展直至斷裂

2．3．2 擴展方式及斷裂形式

采用掃描電鏡對垂直于斷裂面的表面進行觀察，室溫及高溫100 ℃下裂紋以穿晶方式進行擴展，而高溫600 ℃下由于在晶界及滑移線處有析出物產(chǎn)生，使裂紋以沿晶和穿晶混合方式進行擴展。室溫及高溫100 ℃微觀斷口可見大量的韌窩和微小空洞，而在高溫600 ℃時，存在解理特征，并在解理面上有較深的韌窩和孔洞，斷裂形式由韌性斷裂向準解理斷裂方式轉(zhuǎn)變(圖8)。

3 結(jié)論

(1) Mn18Cr18N鋼在不同溫度下裂紋萌生以滑移線增殖引起的位錯釘扎處、晶界處或邊緣圓弧應力集中處為主，擴展方式以穿晶或沿晶和穿晶混合方式為主。

(2) 建議護環(huán)在熱套過程中嚴格控制熱套溫度，避免晶界處產(chǎn)生析出物而使材料的性能惡化。可通過現(xiàn)場金相檢查手段確認熱套后護環(huán)的組織變化。

(3) 通過原位觀察發(fā)現(xiàn)裂紋擴展止裂于晶界和孿晶處。因此，通過優(yōu)化制造工藝以細化護環(huán)鋼的晶?？赡軐μ岣咦o環(huán)鋼的止裂能力有利。