D0I:10.13374/1.issm100103.2008.02.018 第30卷第2期 北京科技大学学报 Vol.30 No.2 2008年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2008 T122铁素体耐热钢析出相热力学模拟计算 孔玉莹董建新张麦仓 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用Thermo-Cale热力学计算软件，对T122铁素体耐热钢钒含量变化对平衡析出相及A3、A4点的影响进行了研 究.结果表明，T122钢的主要平衡析出相为M23C6、MX和Lavs相.当钒质量分数在0.15%以下时，将析出极少量的Z相，且 其随着钒含量的增加析出量呈直线下降；当钒质量分数在0.28%以上时，将析出两种不同的MX相，随着钒含量的增加MN 相的比例下降，而M(C,N)相的比例增加·钒含量的变化对M23Cs和Laves相的影响甚小.钒作为封闭奥氏体元素，增加钒含 量，铁素体与奥氏体的转变区域将变小· 关键词T122耐热钢：钒；析出相：热力学计算 分类号TG142.73 Thermodynamic calculation of precipitated phases in T122 ferritic heat resistant steel KONG Yuying:DONG Jianxin,ZHA NG Maicang School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT The effect of alloying element vanadium on the thermodynamic equilibrium phases and the transformation temperatures A3 and A4of T122 ferritic heat resistant steel were studied by Thermo-Calc software.The results show that the main precipitated phases in T122 steel are M23C6.MX and Laves phases.When the mass fraction of vanadium is less than 0.15%.a little Z-phase pre- cipitates,and the content of Z-phase linearly decreases with increasing vanadium content.When the mass fraction of vanadium is more than 0.28%,two different types of MX precipitate.With increasing vanadium content.the proportion of MN phase decreases. but the proportion of M(C.N)increases.The effect of vanadium content on M23Cs and Laves phases is extremely limited.As a closed austenite region element,the transformation region bet ween ferrite and austenite becomes small with the increase in vanadium content. KEY WORDS T122 heat resistant steel:vanadium:precipitation phase:thermodynamic calculation T122是12Cr-一2W-MoVNbNBCu复杂多元的 基本组织、相的析出行为及其强化机理进行综合研 铁基合金，主要用于制造超临界或超超临界蒸汽参 究.本文采用相图计算软件Thermo-Calet-),分析 数锅炉的过热器管、再热器管、集箱等高温高压部 计算可能析出的平衡相及钢中钒含量变化对析出相 件.它是在T91钢的基础上把9Cr提高到12Cr以 的影响，揭示T122耐热钢中各相的析出规律.研究 保证其高温抗氧化和腐蚀性能]，并采用大量的 结果对该合金的成分设计、生产工艺选择和热处理 碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Nb来形成M23C6 合理制定具有重要的理论指导意义， 和MX型碳化物析出强化，在600℃经10万h运 行后，其持久强度是T91钢的1.3倍可]. 1计算方法 为了综合利用及开发T122材料，必须对它的 采用Thermo-Cale相平衡计算和热力学评估软 件与相应的Fe基数据库进行热力学模拟计算，通过 收稿日期：2006-11-26修回日期：2007-01-06 利用系统中各相的热力学特征函数严格的热力学关 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N 系，建立热力学模型，将相图和各种热力学数据联系 2003AA331060) 作者简介：孔玉莹(1984一)，女，硕士研究生；董建新(1965一)男， 起来，从而计算出系统中所有的热力学信息，得到可 教授，博士生导师 能析出的平衡相，通常，在不同温度下合金系统中
T122铁素体耐热钢析出相热力学模拟计算 孔玉莹 董建新 张麦仓 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 采用 T hermo-Calc 热力学计算软件对 T122铁素体耐热钢钒含量变化对平衡析出相及 A3、A4 点的影响进行了研 究．结果表明T122钢的主要平衡析出相为 M23C6、MX 和 Laves 相．当钒质量分数在0∙15％以下时将析出极少量的 Z 相且 其随着钒含量的增加析出量呈直线下降；当钒质量分数在0∙28％以上时将析出两种不同的 MX 相随着钒含量的增加 MN 相的比例下降而 M（CN）相的比例增加．钒含量的变化对 M23C6 和 Laves 相的影响甚小．钒作为封闭奥氏体元素增加钒含 量铁素体与奥氏体的转变区域将变小． 关键词 T122耐热钢；钒；析出相；热力学计算 分类号 TG142∙73 Thermodynamic calculation of precipitated phases in T122ferritic heat resistant steel KONG Y uyingDONG JianxinZHA NG Maicang School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he effect of alloying element vanadium on the thermodynamic equilibrium phases and the transformation temperatures A3and A4of T122ferritic heat resistant steel were studied by T hermo-Calc software．T he results show that the main precipitated phases in T122steel are M23C6MX and Laves phases．When the mass fraction of vanadium is less than0∙15％a little Z-phase precipitatesand the content of Z-phase linearly decreases with increasing vanadium content．When the mass fraction of vanadium is more than0∙28％two different types of MX precipitate．With increasing vanadium contentthe proportion of MN phase decreases but the proportion of M（CN） increases．T he effect of vanadium content on M23C6 and Laves phases is extremely limited．As a closed austenite region elementthe transformation region between ferrite and austenite becomes small with the increase in vanadium content． KEY WORDS T122heat resistant steel；vanadium；precipitation phase；thermodynamic calculation 收稿日期：2006-11-26 修回日期：2007-01-06 基金 项 目： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （ No． 2003AA331060） 作者简介：孔玉莹（1984—）女硕士研究生；董建新（1965—）男 教授博士生导师 T122是12Cr—2W—MoVNbNBCu 复杂多元的 铁基合金主要用于制造超临界或超超临界蒸汽参 数锅炉的过热器管、再热器管、集箱等高温高压部 件．它是在 T91钢的基础上把9Cr 提高到12Cr 以 保证其高温抗氧化和腐蚀性能［1—3］并采用大量的 碳化物形成元素 Cr、Mo、W、V、Nb 来形成 M23C6 和 MX 型碳化物析出强化．在600℃经10万 h 运 行后其持久强度是 T91钢的1∙3倍［4—5］． 为了综合利用及开发 T122材料必须对它的 基本组织、相的析出行为及其强化机理进行综合研 究．本文采用相图计算软件 Thermo-Calc ［6—7］分析 计算可能析出的平衡相及钢中钒含量变化对析出相 的影响揭示 T122耐热钢中各相的析出规律．研究 结果对该合金的成分设计、生产工艺选择和热处理 合理制定具有重要的理论指导意义． 1 计算方法 采用 Thermo-Calc 相平衡计算和热力学评估软 件与相应的 Fe 基数据库进行热力学模拟计算通过 利用系统中各相的热力学特征函数严格的热力学关 系建立热力学模型将相图和各种热力学数据联系 起来从而计算出系统中所有的热力学信息得到可 能析出的平衡相．通常在不同温度下合金系统中 第30卷 第2期 2008年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．2 Feb．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．02．018
第2期 孔玉莹等：T122铁素体耐热钢析出相热力学模拟计算 127 的稳定相及其组成根据平衡时系统的Gibbs能最小 上述输入条件数值保持不变，只改变钒含量（质量分 原理来确定.按T122钢典型成分（见表1）和温度 数取值范围为0~0.4%)，以考察钒元素的作用和 参数作为Thermo-Cale软件的输入条件.计算时， 影响规律. 表1T122耐热钢化学成分（质量分数） Table I Chemical compositions of T122 heat resistant steel % 编号 C Si Mn 必 Mo Nb 公 ASME0.07-0.14≤0.5≤0.710.0~12.5≤0.50.25~0.601.50~2.500.04~0.100.15~0.30 一 0.040.10 典型成分 0.11 0.3 0.5 12.0 0.3 0.38 1.90 0.05 0.19 0.036 0.06 2结果与讨论 相计算，得出不同钒含量时各相析出量与析出温度 的关系，由图可知，该耐热钢的主要平衡析出相为 2.1T122耐热钢热力学平衡相 M23C6、MX和Laves相（如图2）.当V质量分数在 T122耐热钢为铁基合金，其化学成分见表1， 0.15%以下时，除了以上三个平衡相外还存在Z相 在进行热力学计算时，其化学成分均以典型成分为 (如图1).而当V质量分数在0.28%以上时，存在 标准进行钒元素的变化，图1~3为经热力学平衡 两个不同的MX相（如图3） 1.0 0.025 (a) (b) 0.8 0.020 Laves 0.015 MaCs 0.4 0.010 0.2 0.005 Z相 MaCs MX 0700800 1000120014001600 0700800 1000120014001600 温度/℃ 温度/℃ 图1T122耐热钢各相析出量与析出温度的计算曲线(a)及局部放大图(b)(V质量分数为0.14%) Fig-I Calculated dependence of precipitation phases in T122 heat resistant steel on temperature (a)and its partial magnification (b)when the mass fraction of vanadium is 0.14% 1.0 0.030 (a) (b) 0.8 0.025 5 0.6 0.020 MaCs 0.4 0.010 0.2 0.005 MzC。 MX 0 700800 10001200 1400 1600 700800 1000120014001600 温度/℃ 温度/℃ 图2T122耐热钢各相析出量与析出温度的计算曲线(a)及局部放大图(b)(V质量分数为0.19%) Fig.2 Calculated dependence of precipitation phases in T122 heat resistant steel on temperature (a)and its partial magnification(b)when the mass fraction of vanadium is .19% 2.2V含量变化对Z相的影响 含V的Z相.直到1996年，Strang和Vodarek修正 l950年，Binder在Nb合金奥氏体钢中最早发 Z相为Cz(V,Nb)zN2,它的单胞尺寸稍微小一点， 现具有强化效应的Z相，它以棒状形式快速析出并 a=0.286nm,c=0.739nm,此种新的Z相并不像 弥散分布.1972年，Jack和Jack证实Z相为 原来那样快速析出，它只在长时暴露后才析出， Cr2NbzN2,晶体结构如图4,1985年，Schnabel等人 热力学计算结果表明，当V质量分数在0.15% 在11%Cr马氏体钢X19(CrMoVNbN111)中发现 以下时，有极少量Z相析出，其化学成分主要是Cr
的稳定相及其组成根据平衡时系统的 Gibbs 能最小 原理来确定．按 T122钢典型成分（见表1）和温度 参数作为 Thermo-Calc 软件的输入条件．计算时 上述输入条件数值保持不变只改变钒含量（质量分 数取值范围为0～0∙4％）以考察钒元素的作用和 影响规律． 表1 T122耐热钢化学成分（质量分数） Table1 Chemical compositions of T122heat resistant steel ％ 编号 C Si Mn Cr Ni Mo W Nb V Ti N ASME 0∙07～0∙14 ≤0∙5 ≤0∙7 10∙0～12∙5 ≤0∙5 0∙25～0∙60 1∙50～2∙50 0∙04～0∙10 0∙15～0∙30 — 0∙04～0∙10 典型成分 0∙11 0∙3 0∙5 12∙0 0∙3 0∙38 1∙90 0∙05 0∙19 0∙036 0∙06 2 结果与讨论 2∙1 T122耐热钢热力学平衡相 T122耐热钢为铁基合金其化学成分见表1． 在进行热力学计算时其化学成分均以典型成分为 标准进行钒元素的变化．图1～3为经热力学平衡 相计算得出不同钒含量时各相析出量与析出温度 的关系．由图可知该耐热钢的主要平衡析出相为 M23C6、MX 和 Laves 相（如图2）．当 V 质量分数在 0∙15％以下时除了以上三个平衡相外还存在 Z 相 （如图1）．而当 V 质量分数在0∙28％以上时存在 两个不同的 MX 相（如图3）． 图1 T122耐热钢各相析出量与析出温度的计算曲线（a）及局部放大图（b）（V 质量分数为0∙14％） Fig．1 Calculated dependence of precipitation phases in T122heat resistant steel on temperature （a） and its partial magnification （b） when the mass fraction of vanadium is0∙14％ 图2 T122耐热钢各相析出量与析出温度的计算曲线（a）及局部放大图（b）（V 质量分数为0∙19％） Fig．2 Calculated dependence of precipitation phases in T122heat resistant steel on temperature （a） and its partial magnification （b） when the mass fraction of vanadium is0∙19％ 2∙2 V 含量变化对 Z 相的影响 1950年Binder 在 Nb 合金奥氏体钢中最早发 现具有强化效应的 Z 相它以棒状形式快速析出并 弥散 分 布．1972 年Jack 和 Jack 证 实 Z 相 为 Cr2Nb2N2晶体结构如图4．1985年Schnabel 等人 在11％ Cr 马氏体钢 X19（CrMoVNbN111）中发现 含 V 的 Z 相．直到1996年Strang 和 Vodarek 修正 Z 相为 Cr2（VNb）2N2它的单胞尺寸稍微小一点 a＝0∙286nmc＝0∙739nm．此种新的 Z 相并不像 原来那样快速析出它只在长时暴露后才析出． 热力学计算结果表明当 V 质量分数在0∙15％ 以下时有极少量 Z 相析出其化学成分主要是 Cr、 第2期 孔玉莹等： T122铁素体耐热钢析出相热力学模拟计算 ·127·
128 北京科技大学学报 第30卷 1.0c 0.010 8 (a) Laves 8 (b) 0.8 8 0.008 MaCs L 0.6 0.006 0.4 餐 0.004 .MX 0.2 Y 0.002 MX, M2Cs 0 700800 1000120014001600 0760800 1000120014001600 温度/℃ 温度℃ 图3T122耐热钢各相析出量与析出温度的计算曲线(a)及局部放大图(b)(V质量分数为0.30%) Fig.3 Calculated dependence of precipitation phases in T122 heat resistant steel on temperature (a)and its partial magnification (b)when the mass fraction of vanadium is 0.30% 量下降，最近研究发现8]，复杂氨化物Z相的析出 N 被证实为组织不稳定性的根源，因此控制好钒含量 对于析出何种相至关重要，它关系到组织的稳定性 问题以及蠕变强度问题， 表2650℃时T122耐热钢中Z相化学成分计算值（质量分数） Table 2 Calculated chemical composition of Z phase in T122 heat resis tant steelat650℃ Cr N Nb W Ti V C Mo Fe 59.518.816.72.901.100.790.13微量微量 N a0.304nm↓ 注：计算时钒质量分数为0.14% ●Nb OCr 0.06 图4纯NbZ相晶体结构Cr2Nb2N2 0.05 Fig.4 Crystal structure of a pure Nb Z-phase CraNb2N2 0.03 Nb和N,含有少量的V(见表2)，与文献报道的结 果相近8].图5和图6分别是V含量与Z相在 N0.02 0.01 650℃时析出量及析出温度的关系图，从图中可以 看出：随着V含量增加，Z相析出量呈直线下降，到 0.12 0.130.140.150.16 V质量分数% V质量分数为0.152%时，Z相不再析出；而Z相析 图5650℃时V含量与Z相析出量关系图 出温度在V质量分数为0.13%和0.14%时基本不 变，但是从0.12%到0.13%以及从0.14%到 Fig.5 Calculated dependence of Z-phase on vanadium content at 650℃ 0.15%,V含量增加则Z相析出温度急剧下降.造 成析出量与析出温度随V含量变化的原因，主要从 950 以下两个方面考虑，(1)文献[8]计算了P92耐热 900 钢中元素含量与Z相析出驱动力的关系结果表明： 850 V质量分数在0.1%以下时，Z相析出的驱动力与V 800 含量呈正比；V质量分数在0.1%以上时，驱动力与 750 V含量呈反比，(2)T122耐热钢中主要析出相MX 为碳氮化物，其主要由Nb(C,N)和VN组成，而Z 1082 0.13 0.14 0.15 V质量分数% 相组成元素与MX相似.文献[8]认为，在钒含量与 氨含量接近时Z相比较稳定，而在低NV比时MX 图6V含量与Z相析出温度关系图 相比较稳定，因此随着V含量的增加，MX析出增 Fig.6 Calculated dependence of Z-phase precipitation temperature 加，导致基体中的Nb、N含量减少，从而使Z相析出 on vanadium content
图3 T122耐热钢各相析出量与析出温度的计算曲线（a）及局部放大图（b）（V 质量分数为0∙30％） Fig．3 Calculated dependence of precipitation phases in T122heat resistant steel on temperature （a） and its partial magnification （b） when the mass fraction of vanadium is0∙30％ 图4 纯 Nb Z 相晶体结构 Cr2Nb2N2 Fig．4 Crystal structure of a pure Nb Z-phase Cr2Nb2N2 Nb 和 N含有少量的 V（见表2）与文献报道的结 果相近［8］．图5和图6分别是 V 含量与 Z 相在 650℃时析出量及析出温度的关系图．从图中可以 看出：随着 V 含量增加Z 相析出量呈直线下降到 V 质量分数为0∙152％时Z 相不再析出；而 Z 相析 出温度在 V 质量分数为0∙13％和0∙14％时基本不 变但 是 从 0∙12％ 到 0∙13％ 以 及 从 0∙14％ 到 0∙15％V 含量增加则 Z 相析出温度急剧下降．造 成析出量与析出温度随 V 含量变化的原因主要从 以下两个方面考虑．（1） 文献［8］计算了 P92耐热 钢中元素含量与 Z 相析出驱动力的关系结果表明： V 质量分数在0∙1％以下时Z 相析出的驱动力与 V 含量呈正比；V 质量分数在0∙1％以上时驱动力与 V 含量呈反比．（2） T122耐热钢中主要析出相 MX 为碳氮化物其主要由 Nb（CN）和 VN 组成而 Z 相组成元素与 MX 相似．文献［8］认为在钒含量与 氮含量接近时 Z 相比较稳定而在低 N／V 比时 MX 相比较稳定因此随着 V 含量的增加MX 析出增 加导致基体中的 Nb、N 含量减少从而使Z 相析出 量下降．最近研究发现［8］复杂氮化物 Z 相的析出 被证实为组织不稳定性的根源．因此控制好钒含量 对于析出何种相至关重要它关系到组织的稳定性 问题以及蠕变强度问题． 表2 650℃时 T122耐热钢中 Z 相化学成分计算值（质量分数） Table2 Calculated chemical composition of Z-phase in T122heat resistant steelat 650℃ ％ Cr N Nb W Ti V C Mo Fe 59∙5 18∙8 16∙7 2∙90 1∙10 0∙79 0∙13 微量 微量 注：计算时钒质量分数为0∙14％． 图5 650℃时 V 含量与 Z 相析出量关系图 Fig．5 Calculated dependence of Z-phase on vanadium content at 650℃ 图6 V 含量与 Z 相析出温度关系图 Fig．6 Calculated dependence of Z-phase precipitation temperature on vanadium content ·128· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第2期 孔玉莹等：T122铁素体耐热钢析出相热力学模拟计算 129 2.3V含量变化对MX相的影响 元素是MX相的主要组成元素，MX1主要由钒铌钛 热力学计算结果表明，当V质量分数在0.28% 碳氨化合物组成；而MX2则主要是NbC.当钒含量 以上时出现两种不同的MX相（以下称只在V质量 增加时，两种MX中碳含量比例均增加，同时氨含 分数为0.28%以上出现的MX相为MX2,另一种为 量比例均减少，这表明随着钒含量的增加，大量的 MX1),表3和表4分别为两种不同的MX相在不 MX相由MN相转化成为M(C,N)相，或者是MN 同钒含量下的平衡计算成分，从表中可以看出：钒 相的比例下降，而M(C,N)相的比例增加，这与在 表3650℃时不同钒含量下MX1平衡计算成分（质量分数） Table 3 Calculated chemical composition of MXI in T122 heat resistant steel with different vanadium contents at 650C % 钢中V质量 MX1 分数 N Nb Ti C Fe Cr W Mo 0.16 51.0 19.9 16.5 12.0 0.029 0.127 0.457 微量 微量 0.28 55.2 18.7 14.3 11.2 0.47 0.04 0.038 微量 微量 0.40 61.0 18.5 8.46 11.2 0.75 0.05 0.022 微量 微量 表4650℃时不同钒含量下MX2平衡计算成分（质量分数） Table 4 Calculated chemical compositions of MX2in T122 heat resistant steel with different vanadium at 650C % 钢中V质量 MX2 分数 Nb C N W Cr Mo Ti Fe 0.28 83.2 9.82 4.81 1.34 0.605 0.152 微量 微量 微量 0.40 79.8 10.4 8.08 0.87 0.733 0.139 微量 微量 微量 T91钢实验观察到的结果相似). 6.22953×10-5%,可见钒不是M23C6相中的主要 随着钒含量的增加，MX相析出量增加（见图 组成元素；并且，随着钢中钒质量分数从0变化到 7),尤其当钒质量分数在0.16%以下时，MX相析 0.4%,650℃时M23C6相的质量分数仅从2.15%下 出量随钒含量的增加呈直线增加，随后析出量增加 降到2.05%，下降幅度仅为4.6%，而M23C6相的原 缓慢.这可能是因为基体中Nb、N和C元素基本上 子组成百分比也基本不变，Laves相主要由Fe、Cr、 已与V结合生成VN、Nb(C,N)和VC,致使基体中 Mo和W组成，而钒元素并不是Laves相的组成元 缺少形成MX中的X元素；另一方面，当钒质量分 素.因此，随着钢中钒含量的变化，Laves相的质量 数在0.28%以上时析出MX2相，消耗一部分V,从 分数基本不变，650℃时均在1.58%左右，且Laves 而使MX1析出量随钒含量的增加基本趋于平缓， 相的原子组成百分比也基本不变，由以上分析可以 0.4 认为，钢中钒含量变化时，MsC6相和Laves相基本 不受影响， 0.3 2.5V含量变化对A3和A4点的影响 0.2 图8为不同钒含量铁素体与奥氏体转变相图 V=0.13%V0 0.1 =0.23% 0.8 V=0.4% 0.6 0.1 0.2 0.3 V质量分数% 图7650℃时V含量与MX1析出量的关系 02 Fig.7 Calculated dependence of the mass fraction of MXi on vana- dium content at650℃ 700 800900100011001200.1300 温度/℃ 2.4V含量变化对M3C6和Laves相的影响 图8不同钒含量下铁素体与奥氏体转变相图 热力学计算结果表明，M23C6主要由Fe、Cr、 Fig-8 Transformation between ferrite and austenite at different Mo、W和C组成，在M23C6中钒质量分数仅约 vanadium contents
2∙3 V 含量变化对 MX 相的影响 热力学计算结果表明当 V 质量分数在0∙28％ 以上时出现两种不同的 MX 相（以下称只在 V 质量 分数为0∙28％以上出现的 MX 相为 MX2另一种为 MX1）．表3和表4分别为两种不同的 MX 相在不 同钒含量下的平衡计算成分．从表中可以看出：钒 元素是 MX 相的主要组成元素MX1 主要由钒铌钛 碳氮化合物组成；而 MX2 则主要是 NbC．当钒含量 增加时两种 MX 中碳含量比例均增加同时氮含 量比例均减少．这表明随着钒含量的增加大量的 MX 相由 MN 相转化成为 M（CN）相或者是 MN 相的比例下降而M（CN）相的比例增加这与在 表3 650℃时不同钒含量下 MX1 平衡计算成分（质量分数） Table3 Calculated chemical composition of MX1in T122heat resistant steel with different vanadium contents at 650℃ ％ 钢中 V 质量 分数 MX1 V N Nb Ti C Fe Cr W Mo 0∙16 51∙0 19∙9 16∙5 12∙0 0∙029 0∙127 0∙457 微量 微量 0∙28 55∙2 18∙7 14∙3 11∙2 0∙47 0∙04 0∙038 微量 微量 0∙40 61∙0 18∙5 8∙46 11∙2 0∙75 0∙05 0∙022 微量 微量 表4 650℃时不同钒含量下 MX2 平衡计算成分（质量分数） Table4 Calculated chemical compositions of MX2in T122heat resistant steel with different vanadium at 650℃ ％ 钢中 V 质量 分数 MX2 Nb C V N W Cr Mo Ti Fe 0∙28 83∙2 9∙82 4∙81 1∙34 0∙605 0∙152 微量 微量 微量 0∙40 79∙8 10∙4 8∙08 0∙87 0∙733 0∙139 微量 微量 微量 T91钢实验观察到的结果相似［9］． 随着钒含量的增加MX 相析出量增加（见图 7）尤其当钒质量分数在0∙16％以下时MX 相析 出量随钒含量的增加呈直线增加随后析出量增加 缓慢．这可能是因为基体中 Nb、N 和 C 元素基本上 已与 V 结合生成 VN、Nb（CN）和 VC致使基体中 缺少形成 MX 中的 X 元素；另一方面当钒质量分 数在0∙28％以上时析出 MX2 相消耗一部分 V从 而使 MX1 析出量随钒含量的增加基本趋于平缓． 图7 650℃时 V 含量与 MX1 析出量的关系 Fig．7 Calculated dependence of the mass fraction of MX1on vanadium content at 650℃ 2∙4 V 含量变化对 M23C6 和 Laves 相的影响 热力学计算结果表明M23C6 主要由 Fe、Cr、 Mo、W 和 C 组成在 M23C6 中钒质量分数仅约 6∙22953×10—5％可见钒不是 M23C6 相中的主要 组成元素；并且随着钢中钒质量分数从0变化到 0∙4％650℃时 M23C6 相的质量分数仅从2∙15％下 降到2∙05％下降幅度仅为4∙6％而 M23C6 相的原 子组成百分比也基本不变．Laves 相主要由 Fe、Cr、 Mo 和 W 组成而钒元素并不是 Laves 相的组成元 素．因此随着钢中钒含量的变化Laves 相的质量 分数基本不变650℃时均在1∙58％左右且 Laves 相的原子组成百分比也基本不变．由以上分析可以 认为钢中钒含量变化时M23C6 相和 Laves 相基本 不受影响． 图8 不同钒含量下铁素体与奥氏体转变相图 Fig．8 Transformation between ferrite and austenite at different vanadium contents 2∙5 V 含量变化对 A3 和 A4 点的影响 图8为不同钒含量铁素体与奥氏体转变相图． 第2期 孔玉莹等： T122铁素体耐热钢析出相热力学模拟计算 ·129·
,130 北京科技大学学报 第30卷 由图中可以看出，随着钒含量的增加，铁素体转变最 (2)钒含量变化时，M23C6相和Laves相基本不 低点的质量分数逐渐增加，从钒含量为0时，剩余铁 受影响.而钒为封闭奥氏体元素，当钒含量增加时， 素体质量分数为0，到钒质量分数为0.4%时，剩余 A3温度值小幅增加，A4温度值小幅下降，铁素体与 铁素体质量分数为21.30%.另一方面，随着钒含量 奥氏体转变区域变小. 的增加，奥氏体转变最高点的质量分数逐渐减少，从 钒质量分数为0时的99.89%，到钒质量分数为 参考文献 0.4%时的78.43%. [1]Masuyama F.History of power plants and progress in heat resis 表5为不同钒含量下A3和A4点温度值，从 tant steel.1SIJ1t,2001,41(6):612 [2]Zhao Z P.The new materials for supercritical and unltra"super 表中可以看出，随着钒含量的增加，A3温度值小幅 critical power plant units.Mater Mech Eng.2000.24(6):1 增加，A4温度值小幅下降，这是因为钒元素为封闭 (赵中平.超临界和超级超临界火电机组用新材料.机械工程 奥氏体区的元素，它会使A3温度升高，A4温度下 材料，2000,24(6)：1) 降，并在一定浓度处汇合形成奥氏体圈. [3]Bhadeshia HK D H.Design of ferritic creep resistant steels.ISIJ 1t,2001.41(6):626 表5不同钒含量下A3,A:点温度值 [4]Sawaragi Y,Iseda A.Ogawa K,et al.Materials for Advanced Table 5 Calculated transformation temperatures at different vanadium Power Engineering.Part I.Netherlands:Kluwer Academic contents Publisher.1994:309 V质量 A3/ A/ V质量 A3/ A4/ [5]Hald J.Metallurgy and creep properties of new 9%-12%Cr 分数/% ℃ ℃ 分数/% ℃ ℃ steel.Steel Res.1996.67(9):369 0 802 1404 0.23 825 1399 [6]Andersson J O.Helander T,Hdghmd L.et al.Thermo cale 8 Dictra.computational tools for materials sciences.Calphad, 0.13 803 1401 0.40 8361394 2002,26(2):273 [7]Schaffernak BC.Cerjak HH.Design of improved heat resistant 3结论 materials by use of computational thermodynamics.Calphad, 2001,25(2):241 (1)T122钢的主要析出相为MsC6、MX和 [8]Danielsen H.Hald J.Z phase in 9%-12%Cr steels//Fourth Laves相，当钒质量分数在0.15%以下时析出极少 International Conference on Advanced in Materials Technology 量的Z相，并且它的析出量随着钒含量的增加呈直 for Fossil Power Plants-USA:2004:876 线下降；当钒质量分数在0.28%以上时将析出两种 [9]Wang C X,Cheng S C.Ling ZJ.The effect of vanadium content on the properties of T91 steel.JIron Steel Res.1997.9(Suppl): MX相，随着钒含量的增加，MX相由MN相转化成 为M(C,N)相，或者是MN相的比例下降，而M(C, (王春旭，程世长，林肇杰.钒含量对T91钢性能的影响.钢铁 N)相的比例增加， 研究学报，1997,9（增刊）：56)
由图中可以看出随着钒含量的增加铁素体转变最 低点的质量分数逐渐增加从钒含量为0时剩余铁 素体质量分数为0到钒质量分数为0∙4％时剩余 铁素体质量分数为21∙30％．另一方面随着钒含量 的增加奥氏体转变最高点的质量分数逐渐减少从 钒质量分数为0时的99∙89％到钒质量分数为 0∙4％时的78∙43％． 表5为不同钒含量下 A3 和 A4 点温度值．从 表中可以看出随着钒含量的增加A3 温度值小幅 增加A4 温度值小幅下降．这是因为钒元素为封闭 奥氏体区的元素它会使 A3 温度升高A4 温度下 降并在一定浓度处汇合形成奥氏体圈． 表5 不同钒含量下 A3A4 点温度值 Table5 Calculated transformation temperatures at different vanadium contents V 质量 分数／％ A3／ ℃ A4／ ℃ 0 802 1404 0∙13 803 1401 V 质量 分数／％ A3／ ℃ A4／ ℃ 0∙23 825 1399 0∙40 836 1394 3 结论 （1） T122钢的主要析出相为 M23C6、MX 和 Laves 相当钒质量分数在0∙15％以下时析出极少 量的 Z 相并且它的析出量随着钒含量的增加呈直 线下降；当钒质量分数在0∙28％以上时将析出两种 MX 相随着钒含量的增加MX 相由 MN 相转化成 为 M（CN）相或者是 MN 相的比例下降而 M（C N）相的比例增加． （2） 钒含量变化时M23C6 相和 Laves 相基本不 受影响．而钒为封闭奥氏体元素当钒含量增加时 A3 温度值小幅增加A4 温度值小幅下降铁素体与 奥氏体转变区域变小． 参 考 文 献 ［1］ Masuyama F．History of power plants and progress in heat resistant steel．ISIJ Int200141（6）：612 ［2］ Zhao Z P．The new materials for supercritical and unltra-supercritical power plant units．Mater Mech Eng200024（6）：1 （赵中平．超临界和超级超临界火电机组用新材料．机械工程 材料200024（6）：1） ［3］ Bhadeshia H K D H．Design of ferritic creep-resistant steels．ISIJ Int200141（6）：626 ［4］ Sawaragi YIseda AOgawa Ket al． Materials for A dv anced Power Engineering． Part Ⅰ．Netherlands：Kluwer Academic Publisher1994：309 ［5］ Hald J．Metallurgy and creep properties of new 9％—12％ Cr steel．Steel Res199667（9）：369 ［6］ Andersson J OHelander THdghmd Let al．Thermo-calc ＆ Dictracomputational tools for materials sciences． Calphad 200226（2）：273 ［7］ Schaffernak B CCerjak H H．Design of improved heat resistant materials by use of computational thermodynamics． Calphad 200125（2）：241 ［8］ Danielsen HHald J．Z-phase in 9％—12％ Cr steels∥ Fourth International Conference on A dv anced in Materials Technology for Fossil Power Plants．USA2004：876 ［9］ Wang C XCheng S CLing Z J ．The effect of vanadium content on the properties of T91steel．J Iron Steel Res19979（Suppl）： 56 （王春旭程世长林肇杰．钒含量对 T91钢性能的影响．钢铁 研究学报19979（增刊）：56） ·130· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
