［摘 要］15CrMoG钢在600℃、150MPa条件下进行高温蠕变试验，随保温时间的延长15CrMoG钢外表面逐渐被氧化，并产生缩颈现象，晶界碳化物不断析出、长大，最终珠光体被完全球化，铁素体被拉长形成带状组织，最终在低于该温度的屈服强度下发生韧性断裂。
［关 键 词］15CrMoG；高温蠕变；铁素体；珠光体
Effect of high temperature creep on microstructure of 15CrMoG steel
Sun Lei
（Ningxia Jingneng Ningdong Electrie Power Co., Ltd NingXiaYinChuan 750400）
[Abstract] The high temperature creep test of 15CrMoG steel was carried out at 600 ℃ and 150MPa. The results show that with the increasing holding time, the outer surface of 15CrMoG steel is gradually oxidized and necking occurs, through the metallographical observing, the carbide on the grain boundary is continuously precipitated and grown up, the pearlite is completely spheroidized, and the ferrite is elongated to form banded structure. Finally ductile fracture occurs at the yield strength below this temperature.
[Key words] 15CrMoG; High temperature creep; Ferrite; Pearlite
0.引言
锅炉炉管不但要承受较高的压力和温度，而且管子外表面还要承受来自烟气的侵蚀和辐射、飞灰的磨损以及高温高压蒸汽的腐蚀；同时锅炉运行中燃煤品质的改变、负荷的频繁升降、机组启停等，这些变化都会对炉管的寿命造成影响[1-2]。在这个复杂的过程中涉及到金属材料的蠕变、腐蚀、磨损、材料自身老化、疲劳等多种失效机理，由此造成的失效方式也是各式各样。
金属蠕变是指在一定的温度下，金属材料长时间承受小于该温度下屈服点的应力，而随着时间的增加，金属会发生缓慢且连续的塑性变形的现象。蠕变是材料长时间在高温下工作时必然会发生的一种组织损伤现象。蠕变引起材料组织性能的变化，造成高温高压管道力学性能降低，甚至使管壁开裂爆管。因此，蠕变成为衡量耐热钢高温性能的重要参数之一[3]。本文以电站锅炉常用15CrMoG钢为例，分析高温蠕变对其组织的影响。
1.试验材料、方法
1.1试验材料
试验采用的是未经使用15CrMoG钢，经正火处理，原始组织为铁素体+片层状结构珠光体，用能谱仪测试其化学成分，如表1.1所示，从测试结果看出，所用材料符合《高压锅炉用无缝钢管》GB/T 5310-2017的要求。15CrMoG钢时效后高温力学性能，如表1.2所示。
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1.2试验方法
以15CrMoG钢的持久强度为主要依据，结合表1.2和相关标准及文献资料，依照《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》GB/T2039-2012将15CrMoG钢加工成标准拉伸试样，如图1.1所示。将试样在600℃、150MPa应力条件下做高温蠕变试验。
图1.1 标准拉伸试样
Fig.1.1 Macro-morphology of original sample
试验设备利用自制的蠕变拉伸机，如图1.2所示。试样被固定在图中3处并被5处热电偶加热，加热温度由2处温度控制器控制，误差范围为±5℃，调节1处砝码重量可改变试样所受应力。加热前先对试样进行打磨抛光处理并查看其原始微观组织。对试样进行打点标记，记录两点间的距离。将标记好的试样固定在3处，通过杠杆原理加载一定砝码用于对试样的拉伸。接通电源进行加热，当温度达到600℃时开始计时，作为蠕变试验的开始时间。试样保温24小时后切断电源，待试件冷却后用游标卡尺测量试件的伸长量，然后将试样重新打磨抛光，观察试件微观组织变化后将其继续加热，每隔24小时重复上述试验步骤。试验进行到211小时时，试件被拉断。
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1—砝码；2—温度控制器；3—试样；4—陶瓷层；5—热电偶；6—保温炉
图1.2 自制蠕变拉伸机
Fig.1.2 Self-made creep tensile machine
2.试验结果与讨论
2.1试样长度变化
试验过程中试样长度变化情况，如表2.1所示。
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图2.1 为15CrMoG试样长度与保温时间关系曲线。试样在加载初期变形量比较大，这是由于外加应力超过了试样在试验条件下的弹性极限，所以这部分瞬时变形既包含了弹性变形也包含了塑性变形。随着试验的进行，试件长度变形量不断增加，其长度变化曲线与经典蠕变曲线相似[4]。
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图2.1 15CrMoG试样长度与保温时间关系曲线
Fig.2.1 Relation curve of holding time and length of 15CrMo sample
2.2试样金相组织变化
15CrMoG钢试样原始组织由白色的铁素体和黑色的珠光体组成，如图2.1所示。
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图2.1 试样原始组织
Fig.2.1 Microstructure of original sample
试样保温24h后，珠光体和铁素体形态基本没有变化，仍分布均匀且晶界明显，但在试样外表面有轻微氧化现象，如图2.2（a）所示。试样保温48小时后，其晶界附近有少量碳化物析出，并且珠光体和铁素体相界开始变得有些模糊，如图2.2（b）所示，但整体与原始试样相比组织无明显变化。
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图2.2 15CrMoG钢保温24h和48h金相组织
（a）保温24h （b）保温48h
Fig.2.2 Microstructure of sample after heating 24h and 48h
（a）Heat preservation for 24h （b）Heat preservation for 48h
试样保温72h后，可以看到晶界处碳化物数量有所增加，局部晶界模糊不清，如图2.3（a）所示；保温96h后，晶界处碳化物明显增多，部分碳化物呈现出颗粒状，有些部位的珠光体已有沿晶界分散的趋势，但珠光体基本形态尚保留，如图2.3（b）所示，说明试样已经发生了轻微球化，同时也可以看出由于应力作用铁素体和珠光体呈现出带状组织，且不均匀分布。
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图2.3 15CrMoG钢保温72h和96h金相组织
（a）保温72h （b）保温96h
Fig.2.3 Microstructure of sample after heating 72h and 96h
（a）Heat preservation for 72h （b）Heat preservation for 96h
试样保温120h和144h后，外表面有氧化层产生，并且局部被严重氧化，观察试样金相组织，如图2.4所示，可以清晰的看到在晶界附近分散着大量碳化物颗粒，只有少量珠光体尚保留其基本形态，呈现出网状晶界，大部分珠光体都已失去了原始的片层状结构，转变成了球状颗粒物，这是由于试样在高温和应力作用下发生了严重的球化现象。
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图2.4 15CrMoG钢保温120h和144h金相组织
（a）保温120h （b）保温144h
Fig.2.4 Microstructure of sample after heating 120h and 144h
（a）Heat preservation for 120h （b）Heat preservation for 144h
试样保温168h后，试样发生了明显的塑形变形并出现缩颈现象；观察金相组织发现绝大多数碳化物都转变为颗粒物，并在晶界处呈现出链条状，如图2.5（a）（b）所示；保温192h后，其珠光体形态已经消失，只残留有少量颗粒状碳化物，并且颗粒度明显增大，试样已经被完全球化；同时也可看到铁素体已被拉长变形，呈现出明显的带状组织，如图2.5（c）（d）所示。
图2.5 15CrMoG钢保温168h和192h金相组织
（a）（b）保温168h （c）（d）保温192h
Fig.2.5 Microstructure of sample after heating 168h and 192h
（a）Heat preservation for 168h （b）Heat preservation for 192h
2.3断口形貌分析
蠕变变形常常会引起晶界的滑动，从而造成晶界处空位的出现并使空位聚集形成空洞，在应力长时间作用下，空洞积累并进一步发展成为蠕变裂纹。15CrMoG钢试样断裂后的断口形貌，如图2.6所示，从中可以看出，试样断口处有大量韧窝出现，韧窝大小不等且分布不均匀，大的韧窝里面包含着碳化物颗粒，在碳化物颗粒周围形成空洞，空洞随蠕变长大并汇合，在试验过程中该部位也首先萌生裂纹，造成试样断裂，该断口是典型的韧性断裂。
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图2.6 15CrMoG试样断口形貌
Fig.2.6 Fracture morphology of 15CrMo sample
3.结论
15CrMoG钢试样在试验条件下随着时间的增加，材料的宏观形貌和微观组织都会发生变化。若试验时间足够长，蠕变变形达到一定程度，试样会出现缩颈现象甚至断裂。宏观形貌的变化主要是由试样外表面在高温环境下发生氧化反应并生成氧化层造成，微观形貌的变化主要体现在两个方面，一是片层状珠光体的逐渐球化；二是由于蠕变造成的材料内部组织被拉长变形，呈现出带状组织。
电站锅炉长期在高温、高压下运行，特别是参与深度调峰的大型火电机组，面临频繁启停、长期低负荷运行，快速升降负荷的工况。在这种复杂的工况下，将加速金属部件的蠕变速率，导致金属部件内部组织形态和相成分结构等提前发生变化，而降低其使用寿命，影响到设备安全运转。因此，电站锅炉运行中应该避免受热面、集箱长期在超温、超压条件下运行，严格控制升降负荷速率。
参考文献
[1]郑晓红.锅炉“四管”的失效机理研究与寿命预测[D].浙江大学,2002.
[2]于兴国.锅炉“四管”的失效原因及预防措施[J].吉林化工学院学报,2017,34(01):50-53.
[3]Begum S，Karim A N，Zamani A S M．Wall thinning and creep damage analysis in boiler tube and optimization of operating conditions[J]．Journal of Mechatronics，2013，(1)：1~6．
[4]陈坤. 2.25Cr1Mo钢中杂质元素锑对其高温蠕变性能的影响[D].哈尔滨工业大学,2018.
作者简介
孙磊 男 硕士研究生
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