背景简介

奥氏体不锈钢是高温下使用的主要钢材之一。这些钢主要应用于电力、化学、石油化工和航空工业等领域，用于制造在高温高压下运行的部件。AISI 310作为一种高温下使用的奥氏体不锈钢，其基体为γ相，同时含有一些残留的δ-铁素体和一次M₂₃C₆碳化物。在中温和高温下使用期间，会形成 σ相和二次M₂₃C₆碳化物。在500至900 ℃的温度范围内时效后观察到σ相沉淀，在600至1050 ℃的温度范围时效后会发生二次M₂₃C₆碳化物沉淀。

目前，310 SS的研究涵盖了与其强度、腐蚀和氧化以及敏化、时效和一次析出物相关的问题。尽管进行了如此多的研究工作，但仍然需要有关微观结构演变的信息，主要是关于位错蠕变力学中不同暴露时间的高温相变和二次析出。因此，该工作研究了310 SS在650、675和700 ℃下蠕变试验时间为2 h至1231 h的恒定载荷下碳化物和σ相的析出。通过X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、相量化、SEM和TEM以及显微硬度测试进行定量研究，旨在关联310 SS微观结构的变化及其与使用寿命的关系。

试验介绍

蠕变试验标准试样如图1所示。在恒定载荷条件下，分别在650 ℃、675 ℃和700 ℃下进行蠕变试验，直到发生断裂，试验结果如表1所示。为了分析高温下微观组织随时间的变化，从断裂的蠕变试样中提取了样品，如图1所示：(i)在试样紧缩截面的末端(红点处)进行SEM/TEM观察和显微硬度测试；(ii)覆盖红色矩形区域的X射线衍射(XRD)分析。

图1 蠕变试样的尺寸和几何形状(mm)。试样分析提取区域：A为缺口尖端，红点处对应截面为SEM/TEM分析截面，红线为显微硬度测试区域，红色矩形区域为XRD分析区域

表1 AISI 310钢蠕变试验条件和断裂时间(t_r)

成果介绍

（1）温度和应力对蠕变断裂寿命影响由Yokobori等给出的公式(1)进行解释。对于所研究的310 SS，公式(1)中指数n值为7.0，这表明在650-700 ℃的温度范围内，蠕变遵循高温位错蠕变机制。由于指数n高于纯金属位错蠕变的n (n = 5)，表明蠕变的主要机理是由位错扩散机制驱动的攀移和回复，且伴随着缺陷扩散。图2显示了在700℃和100 MPa下进行蠕变测试的310 SS试样的断裂表面的SEM显微图。在该蠕变条件下，断裂时间很短(140 h)，但在更高的放大倍数下，仍然可以区分裂纹(图2(c))和孔洞(图2(e))。

图2 310 SS试样在700 ℃/100 MPa下蠕变的断裂截面图：(a)全局概况；(b)孔洞和微裂纹；(c)裂纹的形成和生长；(d)孔洞；(e)晶界孔洞聚结；(f)断裂萌生

（2）通过XRD分析(图3a)、DSC分析(图3b)、析出过程和相转变揭示了显微组织的蠕变变化，大量富Cr析出物分散在钢的晶内和晶界中。在晶界结合处的边缘观察到σ相。在650–700 ℃的蠕变过程中，310 SS的相形成总结如下：经过2 h试验中，会出现颗粒状Cr₂₃C₆沉淀物；经过140 h的蠕变试验中，σ相出现，Cr₂₃C₆向晶界转移，变得粗大；对于更长的时间，从311 h的试验结果来看，富Cr的M₂₃C₆沉淀物具有针状形态(图4)。

图3 (a) 接收样品和时效样品的XRD图，特征峰为奥氏体、铁素体、σ相和Cr₂₃C₆析出物；(b) DSC曲线，升温速率20 ℃/ min

图4 蠕变试验的样品的SEM显微图：(a, b) 2 h；(c, d) 22 h；(e, f) 140 h；(g, h) 311 h；(I, j) 1231 h；(k) EDS多点分析；(l) EDS Cr图谱。图中标记出圆形状Cr₂₃C₆（绿色箭头）、针状沉淀相（蓝色箭头）和σ相（红色矩形）

（3）通过TEM分析了310 SS试样在650 ℃时效1231 h的微观情况。沿晶界和晶间观察到块状和团簇状两种类型的二次相。通过选择面积电子衍射(SAED)获得了电子衍射图，检测到四方σ相和面心立方M₂₃C₆碳化物。σ相为粗块状，体积大于呈团簇状的M₂₃C₆碳化物(图5)。σ相出现于蠕变试验22 h后，其体积分数开始增加，直至蠕变时间 1231 h(表2)。对蠕变断裂分析表明，断裂模式的变化可能与Cr₂₃C₆沉淀相的生长有关。在短期蠕变过程中，Cr₂₃C₆ 在晶界和晶间的主要析出阻碍位错运动，产生钉扎强化效应，这可以提高抗晶间断裂能力。然而，随着蠕变时间的增加，Cr₂₃C₆在晶界处的析出物聚结形成针状形貌。因此，对于蠕变时间140、311和1231 h，上述Cr₂₃C₆析出物对晶间断裂的强化作用减弱，导致试样中沿晶断裂比穿晶断裂增加(图6)。

图5 310 SS的TEM图：(a,b) σ相和(c) M₂₃C₆沉淀物在基体处的相互作用及其SAED衍射图

图6 沿晶断裂在穿晶断裂上的生长：(a) 2 h；(b) 22 h；(c) 140 h；(d) 311 h；(e) 1231 h；(f) 穿晶断裂；(g) 沿晶断裂

表2 Rietveld技术计算的奥氏体基体中σ相的百分比分数

（4）Cr₂₃C₆析出相和σ相的存在与显微硬度的升高有关，接收样品的显微硬度在开始暴露于高温时降低，这表明经过冷轧和退火的310 SS上发生应力松弛，随后310 SS显微硬度迅速增加，在311 h达到峰值，然后在1231 h蠕变时间下降（图7）。显微硬度的增加/降低、析出动力学及其强化能力之间的关系影响着抗蠕变性能，而抗蠕变性能取决于析出相的稳定性、分布和形态。因此，对沉淀物分散和尺寸及其生长的控制有助于增强310 SS的强度和短期蠕变性能。用于涡轮发动机和容器规格中的Larson-Miller外推如图8所示。

图7 显微硬度与蠕变时间的关系，红色点表示接收样品测试值

图8 Larson-Miller与微观结构之间的关系：(a) Larson-Miller曲线；(b) 奥氏体基体；(c) 晶界析出Cr₂₃C₆碳化物；(d) σ相在晶粒的三叉晶界处发生相变

致谢

感谢巴西机构CNPq、CAPES 和 FAPERJ对这项研究的支持。本文通讯作者：Garcia J M（Military Institute of Engineering - IME, Materials Science Program, Praça General Tibúrcio 80, Urca, Rio de Janeiro, 22290-270, Brazil）。

本期小编：舒　阳（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵　琳（发布）