晶界处锰元素分布对30Cr2Ni4MoV转子钢长期时效过程中脆化现象的影响

《Journal of Materials Science & Technology》：Effect of Mn partitioning at grain boundary on aging embrittlement of 30Cr2Ni4MoV rotor steel during long-term aging

研究30Cr2Ni4MoV转子钢在500℃老化过程中Mn元素偏析行为及其对晶界断裂（IGF）的影响，发现H型晶界（H-GBs）的Mn偏析会显著降低晶界结合力，导致裂纹沿晶界扩展，冲击韧性下降。通过EBSD、TKD和APT分析证实，Mn在H-GBs的富集量最高，且与晶界取向密切相关，而L型晶界（L-GBs）的Mn偏析影响较小。实验对比0Mn和08Mn钢老化性能，表明08Mn钢因Mn偏析导致FATT升高超过200℃，出现严重老化脆化。

　　在高温服役环境下，如350至500摄氏度，低压力蒸汽涡轮转子通常会受到严重的时效脆化影响，这可能导致晶间断裂（IGF）。为了深入理解这一现象，研究人员对30Cr2Ni4MoV转子钢在500摄氏度下不同时效时间（0至10000小时）的晶界（GBs）处锰（Mn）的分布及其对时效脆化行为的效应进行了系统研究。这些研究主要采用了电子背散射衍射（EBSD）、透射Kikuchi衍射（TKD）和原子探针断层扫描（APT）等先进手段。

在500摄氏度的时效过程中，Mn在M₂₃C₆（一种碳化物）与基体之间的分配受到限制。在时效前，Mn在晶界处是均匀分布的。然而，经过时效处理后，晶界处的Mn富集程度显著增加，尤其是那些具有较大晶界取向差（H-GBs）的区域，其Mn富集程度更高。这一现象表明，Mn在晶界处的分布变化可能是导致时效脆化的重要因素之一。

实验结果显示，Mn在H-GBs和L-GBs（低晶界取向差）处的分配对拉伸性能的影响相对较小，但会显著降低冲击韧性。在冲击过程中，裂纹起始能量保持稳定，因为M₂₃C₆的尺寸变化较小。然而，Mn在H-GBs处的分配会导致裂纹扩展能量明显下降。这一现象的原因在于，Mn在H-GBs处的富集降低了晶界之间的结合力，从而促进了裂纹沿晶界扩展，最终导致晶间断裂的形成。

30Cr2Ni4MoV转子钢作为一种典型的CrMo基钢，因其高强和优异的冲击韧性而被广泛应用于电力、石化等多个工业领域。然而，长时间在高温环境下服役会导致材料的时效脆化，进而引发结构部件的脆性断裂（BF）。研究表明，时效脆化的主要原因是某些脆化元素（如磷、锡、硅和锰）在母相奥氏体晶界处的偏析，这会通过晶间断裂机制显著降低材料的冲击韧性。为了减少这种现象，研究人员通过降低这些脆化元素的含量，开发了超纯净的30Cr2Ni4MoV转子钢。

尽管已有诸多研究探讨了Si和Mn对30Cr2Ni4MoV转子钢时效脆化机制的影响，但不同研究之间仍存在一定的分歧。例如，一些研究指出，Si和Mn的富集会促进M₂₃C₆或M₇C₃等碳化物在晶界处的粗化，从而引发时效脆化。然而，近期的研究表明，Si和Mn在晶界处的富集会促进G相（Ni₁₆Mn₆Si₇）的析出，而这种G相被证实是导致时效脆化的主要原因。G相是一种硅化物，其中Si对于其形成至关重要，这表明不含Si的30Cr2Ni4MoV钢能够有效抑制G相的析出，从而减轻时效脆化现象。

值得注意的是，即使不含Si的30Cr2Ni4MoV钢仍然存在一定的时效脆化现象，其冲击断裂面也会表现出晶间断裂的特征。这表明，Si的缺失并不能完全消除时效脆化，而是存在不同的机制。研究还发现，不含Si的30Cr2Ni4MoV钢的FATT（断裂出现转变温度）比含Si的30Cr2Ni4MoV钢高出约75摄氏度，这说明其时效脆化机制与含Si的钢存在显著差异。

在这一背景下，研究人员进一步探讨了Mn在晶界处的分布对时效脆化的影响。尽管Mn的偏析在高和中Mn钢中已被广泛研究，但针对低Mn钢的Mn脆化现象仍存在一些争议。例如，Wu等人发现，3.2 at.%的Mn偏析会导致低Mn钢的摩擦搅拌焊接接头出现晶间断裂。因此，Mn在晶界处的分布对材料的力学性能，尤其是冲击韧性，具有重要的影响。

本研究中，研究人员制备了两种不含Si的30Cr2Ni4MoV转子钢，分别具有不同的Mn含量。通过在500摄氏度下对这些钢进行不同时间的时效处理，研究人员对Mn的偏析行为进行了系统研究。实验采用了EBSD、TKD和APT等技术，对不同晶界（包括GBs和亚结构）以及第二相中的Mn分布进行了详细分析。同时，研究人员还对Mn偏析行为对材料力学性能的影响进行了探讨，特别是对冲击韧性的影响。

实验结果表明，0Mn和08Mn钢在时效至10000小时后，其屈服强度和延伸率的变化较小。0Mn钢的FATT较低（不超过-90摄氏度），并且没有表现出明显的时效脆化现象。相比之下，08Mn钢在时效后表现出严重的时效脆化，其FATT显著升高。这表明，Mn在晶界处的富集程度是导致时效脆化的重要因素之一。此外，研究还发现，Mn在晶界处的富集与晶界取向差之间存在密切的关联，这为理解时效脆化的机制提供了新的视角。

通过本研究，研究人员揭示了Mn在晶界处的偏析行为对30Cr2Ni4MoV转子钢时效脆化的影响。这一发现对于优化材料的性能、提高其在高温环境下的服役寿命具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨不同元素在晶界处的偏析对材料性能的影响，以及如何通过调控这些元素的分布来有效抑制时效脆化现象。