王超等：回火次数对91焊管接头力学性能的影响 533 量，b为柏氏矢量，1为粒子间的平均距离，为粒子半 织均为回火索氏体，且回火1~2次时组织更均匀， 径，y为被切割粒子的界面能，可知具体的通过方式与 基体上弥散分布着粒径约为40nm的MX(M=V/ 析出质点的性质、大小、形状等有关，由所需要的应力 Nb,X=CN)型碳氮化合物及离散分布的碳化物 大小决定.由于弥散析出的MX(M=VNh,X=C/N) C2C6,位错密度较高，存在位错缠结、亚稳态的位错 型小颗粒产生的阻力较大，一般情况下位错作用力无 网等，但回火次数过多，马氏体板条状逐渐解体，形 法切割该粒子，所以主要是依据Orowan机制绕过质点 成了多边形胞壁结构，析出物在晶界处偏聚并长大 并留下位错环后继续前行.另外，马氏体板条碎化形 呈链状分布. 成的亚晶界也成为位错运动的阻碍，故回火一次后，由 (2)重复回火后，P91焊管接头的主要相仍为Fe- 于位错强化及板条马氏体强化的作用，焊接接头常温、 Cr与aFe相，由于析出相的相对含量不多，X射线衍 高温抗拉强度增大，分别为580.00MPa和232.66 射试验并未检测到析出相. MPa,但韧性略差. (3)随着回火次数的增多，P91管焊接接头强度 此外，对图4(a)和(d)圆圈所标处进行析出物微 呈现先增后减的趋势，在回火1次时，在析出物弥散强 区成分分析（表2），可知试样经多次回火处理后，其析 化、位错强化及板条马氏体强化的共同作用下， 出物中元素C、Mo、V、Nb等元素质量分数均有不同程 R.(25℃)和R(650℃)达最大值，分别为580.00MPa 度的增加，这些合金化元素与固溶的C原子相结合， 和232.66MPa,而回火2~4次后，由于脆性相CraC6 形成了更多的碳化物析出相.这是由于接头本身存在 在晶界处的连续分布，使晶界脆化，故强度逐渐降低. 少量强碳化物形成元素Nb和V,在未经高温回火的条 件下，Nb、V会与C、N形成弥散分布的细小碳化物，它 参考文献 们对基体具有一定的强化作用，同时，Nb、V在一定程 [1]Wang JZ.Liu Z D,Bao H S,et al.Study of steel and alloys for 度上阻止了Cr、Mo等碳化物的形成，使其与Fe形成置 ultra-supercritical power plant in China.Iron Steel,2015,50 换式固溶体，但随着回火次数的增多，固溶体中的C、 (8):1 (王敬忠，刘正东，包汉生，等.中国超超临界电站锅炉关键 Mo及强碳氮化合物形成元素V、Nb不断脱溶，以硬度 材料用钢及合金的研究现状.钢铁，2015,50(8)：1) 值较高的碳化物形式逐渐析出. 2] Wang X F,Wu R D,Deng C X,et al.Mechanical properties of 由表1知，重复回火2~4次后，试样R.值逐渐减 new heat-resistant high-ensile steel P91 at high temperature.Chin 小，A和Z逐渐增大，说明材料强度降低，但韧性渐佳 J Mech Eng,2008;44(6):243 这是因为当回火次数增至4次时，发现板条马氏体逐 (王雪凤，吴任东，邓晨曦，等.新型耐热高强钢91的高温 渐解体，而形成了晶界内部位错相对较少的多边形胞 力学性能.机械工程学报，2008,44(6)：243) 壁结构，但最初弥散分布的析出物发生Ostwald熟化， B) Sudharsanam V,Senthilkumar V,Raju N,et al.Evaluation of 逐渐聚集和长大，在晶界处偏聚呈链状分布（图4(d) post weld heat treatment quality of modified 9CrMo (P91)steel weld by magnetic coercive force measurements.Arch Cie Mech 箭头)，其选取电子衍射谱如图4(e)所示，经分析确定 Eng,2015,15(4):847 该析出物为M,C。型碳化物，且主要是面心立方的 [4] Wang QJ,Hong J,Xu S Q,et al.Key materials used in ultra-su- Cr2C6,其晶格常数为1.0638nm.这类碳化物本身不 percritical power station boilers.J Unie Sci Technol Beijing, 稳定，属于一种脆性相，它会使材料的热强性降低，且 2012,34(Suppl1):26 在晶界处呈串链状的分布方式会导致晶界脆化，并且 (王起江，洪杰，徐松乾，等.超超临界电站锅炉用关键材料 位错塞积于此导致应力集中，故当应力作用时，裂纹会 北京科技大学学报，2012,34（增刊1）：26) 5] 沿晶界扩展，从而导致材料强度降低 Wang WZ,Wang Y,Zhu Y M,et al.Research status and ad- vances of manufacture and properties of P91/T91 steel in China. Mater Mech Eng,2010,34(6):6 表2不同回火次数下的析出物微区成分分析（质量分数） (王卫泽，王钥，朱月梅，等.我国91/91钢生产及其性能 Table 2 Quantitative analysis results of precipitates at various re-empe- 的现状与进展.机械工程材料，2010,34(6)：6) ring times 6 Zheng K,Zhao D J,Zhang X L.Performance of dissimilar metal 回火次数Fe C Cr Mo Nb V Mn weld between SA335P91 and 12Crl MoV steels in ultra (ultra)su- percritical thermal power units.Trans China Weld Inst,2012,33 参比样85.965.048.600.350.010.01 (8):77 回火4次39.142.8536.769.630.201.2610.15 (郑楷，赵大军，张雪莲.超（超）临界火电机组SA33591钢 与12Cr1MoV钢焊接性能.焊接学报，2012,33(8)：77) 3 结论 7]Hu L,Wang X,Meng Q Y,et al.Numerical simulation of tem- perature field in 9%Cr thick-wall pipe in local PWHT.Trans (1)P91管焊接接头在回火不同次数后主要组 China Weld Inst,2015,36(12)13王 超等: 回火次数对 P91 焊管接头力学性能的影响 量，b 为柏氏矢量，l 为粒子间的平均距离，r 为粒子半 径，γ 为被切割粒子的界面能，可知具体的通过方式与 析出质点的性质、大小、形状等有关，由所需要的应力 大小决定． 由于弥散析出的 MX( M = V /Nb，X = C /N) 型小颗粒产生的阻力较大，一般情况下位错作用力无 法切割该粒子，所以主要是依据 Orowan 机制绕过质点 并留下位错环后继续前行． 另外，马氏体板条碎化形 成的亚晶界也成为位错运动的阻碍，故回火一次后，由 于位错强化及板条马氏体强化的作用，焊接接头常温、 高温抗拉强度增大，分 别 为 580. 00 MPa 和 232. 66 MPa，但韧性略差． 此外，对图 4( a) 和( d) 圆圈所标处进行析出物微 区成分分析( 表 2) ，可知试样经多次回火处理后，其析 出物中元素 Cr、Mo、V、Nb 等元素质量分数均有不同程 度的增加，这些合金化元素与固溶的 C 原子相结合， 形成了更多的碳化物析出相． 这是由于接头本身存在 少量强碳化物形成元素 Nb 和 V，在未经高温回火的条 件下，Nb、V 会与 C、N 形成弥散分布的细小碳化物，它 们对基体具有一定的强化作用，同时，Nb、V 在一定程 度上阻止了 Cr、Mo 等碳化物的形成，使其与 Fe 形成置 换式固溶体，但随着回火次数的增多，固溶体中的 Cr、 Mo 及强碳氮化合物形成元素 V、Nb 不断脱溶，以硬度 值较高的碳化物形式逐渐析出． 由表 1 知，重复回火 2 ～ 4 次后，试样 Ｒm值逐渐减 小，A 和 Z 逐渐增大，说明材料强度降低，但韧性渐佳． 这是因为当回火次数增至 4 次时，发现板条马氏体逐 渐解体，而形成了晶界内部位错相对较少的多边形胞 壁结构，但最初弥散分布的析出物发生 Ostwald 熟化， 逐渐聚集和长大，在晶界处偏聚呈链状分布( 图 4( d) 箭头) ，其选取电子衍射谱如图 4( e) 所示，经分析确定 该析 出 物 为 M23 C6 型碳 化 物，且主要是面心立方的 Cr23C6，其晶格常数为 1. 0638 nm． 这类碳化物本身不 稳定，属于一种脆性相，它会使材料的热强性降低，且 在晶界处呈串链状的分布方式会导致晶界脆化，并且 位错塞积于此导致应力集中，故当应力作用时，裂纹会 沿晶界扩展，从而导致材料强度降低． 表 2 不同回火次数下的析出物微区成分分析( 质量分数) Table 2 Quantitative analysis results of precipitates at various re-tempe￾ring times % 回火次数 Fe C Cr Mo Nb V Mn 参比样 85. 96 5. 04 8. 60 0. 35 0. 01 0. 01 — 回火 4 次 39. 14 2. 85 36. 76 9. 63 0. 20 1. 26 10. 15 3 结论 ( 1) P91 管焊接接头在回火不同次数后主要组 织均为回火索氏体，且回火 1 ～ 2 次时组织更均匀， 基体上弥散分布着粒径约为 40 nm 的 MX( M = V / Nb，X = C /N) 型碳氮化合物及离散分布的碳化物 Cr23C6，位错密度较高，存在位错缠结、亚稳态的位错 网等，但回火次数过多，马氏体板条状逐渐解体，形 成了多边形胞壁结构，析出物在晶界处偏聚并长大 呈链状分布． ( 2) 重复回火后，P91 焊管接头的主要相仍为Fe-- Cr 与 α-Fe 相，由于析出相的相对含量不多，X 射线衍 射试验并未检测到析出相． ( 3) 随着回火次数的增多，P91 管焊接接头强度 呈现先增后减的趋势，在回火 1 次时，在析出物弥散强 化、位错强化及板条马氏体强化的共同作用下， Ｒm ( 25 ℃ ) 和 Ｒm ( 650 ℃ ) 达最大值，分别为 580. 00 MPa 和 232. 66 MPa，而回火 2 ～ 4 次后，由于脆性相 Cr23 C6 在晶界处的连续分布，使晶界脆化，故强度逐渐降低． 参 考 文 献 ［1］ Wang J Z，Liu Z D，Bao H S，et al． Study of steel and alloys for ultra-supercritical power plant in China． Iron Steel，2015，50 ( 8) : 1 ( 王敬忠，刘正东，包汉生，等． 中国超超临界电站锅炉关键 材料用钢及合金的研究现状． 钢铁，2015，50( 8) : 1) ［2］ Wang X F，Wu Ｒ D，Deng C X，et al． Mechanical properties of new heat-resistant high-tensile steel P91 at high temperature． Chin J Mech Eng，2008; 44( 6) : 243 ( 王雪凤，吴任东，邓晨曦，等． 新型耐热高强钢 P91 的高温 力学性能． 机械工程学报，2008，44( 6) : 243) ［3］ Sudharsanam V，Senthilkumar V，Ｒaju N，et al． Evaluation of post weld heat treatment quality of modified 9Cr--1Mo ( P91) steel weld by magnetic coercive force measurements． Arch Civ Mech Eng，2015，15( 4) : 847 ［4］ Wang Q J，Hong J，Xu S Q，et al． Key materials used in ultra-su￾percritical power station boilers． J Univ Sci Technol Beijing， 2012，34( Suppl 1) : 26 ( 王起江，洪杰，徐松乾，等． 超超临界电站锅炉用关键材料． 北京科技大学学报，2012，34( 增刊 1) : 26) ［5］ Wang W Z，Wang Y，Zhu Y M，et al． Ｒesearch status and ad￾vances of manufacture and properties of P91 /T91 steel in China． Mater Mech Eng，2010，34( 6) : 6 ( 王卫泽，王钥，朱月梅，等． 我国 P91 /T91 钢生产及其性能 的现状与进展． 机械工程材料，2010，34( 6) : 6) ［6］ Zheng K，Zhao D J，Zhang X L． Performance of dissimilar metal weld between SA335P91 and 12Cr1MoV steels in ultra ( ultra) su￾percritical thermal power units． Trans China Weld Inst，2012，33 ( 8) : 77 ( 郑楷，赵大军，张雪莲． 超( 超) 临界火电机组 SA335 P91 钢 与 12Cr1MoV 钢焊接性能． 焊接学报，2012，33( 8) : 77) ［7］ Hu L，Wang X，Meng Q Y，et al． Numerical simulation of tem￾perature field in 9% Cr thick-wall pipe in local PWHT． Trans China Weld Inst，2015，36( 12) : 13 · 335 ·