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背景简介

高铬马氏体/铁素体钢常用于高温和应力场下的火力发电厂部件。与奥氏体钢和镍基合金相比，它们具有较高的抗蠕变性能、较小的热膨胀和较大的导热系数，因此，仍作为运行温度高达650 ℃的超临工况下的动力装置的主要材料。

除了具有较高的抗蠕变性能外，高铬钢还应具有较高的抗疲劳性能。汽轮机的部件在启动和关闭期间或温度瞬变期间经常受到循环热应力的影响。在这种载荷条件下，微观结构的退化是由于低周疲劳(LCF)状态下蠕变和疲劳过程的相互作用。本文旨在研究10% Cr钢在650 ℃低应变幅下低周疲劳试验中组织的演变。且重点关注板条边界、位错结构、析出相弥散的变化及其对循环软化的影响。

成果介绍

（1）如图1中的SEM和TEM图显示，在650 ℃，ɛ_ac=±0.2%的条件下，LCF过程中板条结构和析出相的分散逐渐发生变化。平均板条宽度增加，位错密度明显下降。5周次循环后，组织与回火马氏体相似，边界出现细小沉淀，N_f/4周次循环后，边界沉淀开始增加，观察到大量小的圆形颗粒，特别是在板条和块的边界。N_f/2周次循环后，某些区域出现了亚晶粒，低密度的析出相是粗亚晶粒的典型特征。破坏后，微观结构表现为板条结构，板条边界上的析出相细小且分布密集。

图1 （a）回火状态下10% Cr钢的SEM和TEM图；650 ℃和ɛ_ac=±0.2%条件下，（b）5周次循环后中断，（c）1250周次循环后中断，（d）2500周次循环后中断，（e）疲劳失效后

（2）通过EBSD研究了LCF过程中低角度晶界（LABs）和高角度晶界（HABs）的演变。在循环加载直到失效的情况，2-15º的LABs数量明显减小，而HABs数量增加，导致平均取向偏差角增加约7º。在5周次循环后，LABs数量已减少了20%。

图2 所有边界（a2-e2）和LABs（a3-e3）的相应取向角分布的OIM图（a1-e1），以及显示10% Cr钢在回火状态下取向角为2-3°的LABs(红色)和HABs图（a4-e4）

（3）经过前5周次循环后，与回火组织相比，大多数板条都形成了位错缠结(图3a)。沿板条边界的碳化物和基体中细小的MX碳氮化物阻碍了板条内部位错的滑移(图3b)，从而导致位错堆积(图3c)。

图3 650℃ (ɛ_ac=±0.2%)条件下，经过5周次LCF循环后，10%Cr钢的TEM图:（a）板条内部位错缠结;（b）碳化物阻碍位错运动;（c）位错堆积

（4）在N_f/4(1250周次)循环后，观察到位错胞具有宽的位错壁和新的亚晶界，位错密度降低(图4a)。位于原板条边界处的析出相在形状上变得更圆润，与回火状态下的拉长相形成对比。滑动位错与缠结或堆积位错的相互作用导致了新的亚边界的形成(图4b)。

图4 650℃ (ɛ_ac=±0.2%)条件下，LCF循环1250周次(N_f/4)后，10% Cr钢的TEM图:（a）板条边界稳定，析出相密集分布，且溶解开始;（b）新的亚晶界形成

N_f/2(2500周次)次循环后，大量板条边界消失。这一点可以从位于前面板条边界的大量沉淀中得到证明(图5a)。碳化物由于部分溶解而改变了形状。这些板条边界包含密集分布的细长沉淀链，且保持稳定状态(图5b)。

图5 650℃ (ɛ_ac=±0.2%)条件下，2500周次循环(N_f/2)后10% Cr钢的TEM图:（a）先前板条边界处有大量析出相;（b）稳定的板条边界有密集的沉淀物

在LCF试验的后半段，板条结构主要保持不变(图6)。然而，一些粗亚晶粒的尺寸达到了几微米。板条和块的边界被大量细小的沉淀物覆盖 (图6a)。位于先前板条边界的析出相的平均尺寸进一步减小到32 nm。这些析出物的逐渐溶解最终导致大部分粗亚晶粒内部未出现析出物(图6b)。

图6 650℃ (ɛ_ac=±0.2%)条件下，10% Cr钢在LCF失效后的TEM图:（a）板条边界存在细小的析出物;（b）未出现沉淀相的粗亚晶粒。

致谢

本研究由俄罗斯科学基金资助项目No. 22-29-00145资助。本文通讯作者：N. Dudova（Laboratory for Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Superalloys, Belgorod State National Research University, 308015, Pobeda 85, Belgorod, Russia）。

本期小编：华飞龙（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

闵　琳（发布）