显微组织异质性对Grade 91母材与SMAW焊缝金属蠕变损伤机制及损伤容限的调控作用

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Microstructures on Creep Damage Mechanisms of Grade 91 Base and Weld Metals

　　

研究人员研究了显微组织对Grade 91母材（base metal，T91）和焊条电弧焊焊缝金属（shielded metal arc weld metal，B91）蠕变变形与损伤机制的影响。采用取自T91和B91的圆棒试样，在550–650 °C和70–270 MPa应力水平下进行蠕变试验。显微组织表征表明，与T91相比，B91具有更细的回火马氏体板条组织（tempered-martensitic lath structure）、更低的MX析出物（MX precipitates）体积分数和更高的初始硬度。尽管在低Larson–Miller参数（Larson–Miller parameter，LMP）条件下B91的蠕变强度优于T91，但该强度优势随LMP升高而逐渐减弱。在三级蠕变（tertiary creep）期间，B91表现出较低的蠕变延性（creep ductility）、较高的omega参数（omega parameter，Ω）、较低的断裂伸长率和较低的蠕变损伤容限因子（creep damage tolerance factor），反映出其应变速率加速更快且失效前容纳变形的能力有限。此外，B91含有大量MnSiO₃夹杂物（MnSiO₃ inclusions），其基体界面成为空洞（cavities）优先形核位置。虽然空洞的存在对短期蠕变性能影响不大，但空洞连接（cavity linkage）在长期蠕变条件下显著加速蠕变损伤。

研究背景方面，Grade 91钢是改性9Cr–1Mo铁素体–马氏体钢，因具有优良蠕变强度、高热导率、低热膨胀和成本效益，被广泛用于电厂过热器、再热器和主蒸汽管道等高温部件。焊接是制造和安装这些大型部件的必要环节。焊缝金属（weld metal，WM）与母材（base metal，BM）名义化学成分相近，但多道焊反复热循环引起局部熔化和凝固，使WM的显微组织和力学性能不同于BM；高密度位错的板条组织、析出物分布和局部组织不均匀性受焊接参数及后续焊后热处理强烈影响。焊条电弧焊（shielded metal arc welding，SMAW）和埋弧焊等熔剂型工艺还会向WM引入非金属夹杂物。改性9Cr–1Mo焊缝金属中常见亚微米至微米级富Mn–Si–O氧化物夹杂，其尺寸和数密度取决于焊剂成分、焊接条件和氧含量；粗大夹杂或高密度夹杂促进界面脱粘以及空洞或微裂纹形核，从而降低WM韧性和断裂抗力。因此，准确评估Grade 91焊接部件长期完整性，需要综合考虑WM中特定组织特征和夹杂物，理解WM与BM固有蠕变变形和断裂行为。既往研究多报道Grade 91 WM具有较低最小蠕变速率和较高蠕变抗力，主要归因于更细板条组织和更强抗组织回复能力；但较高蠕变强度并不必然保证高断裂延性，部分研究报告WM断裂寿命更长但断裂伸长率和延性低于BM，也有研究观察到WM硬度和屈服强度较高但蠕变断裂寿命较短。这些矛盾表明，WM与BM相对蠕变性能不仅取决于初始强度，还取决于组织稳定性、变形容纳和损伤累积机制。先前研究多关注最小蠕变速率和断裂寿命，对三级蠕变起始与加速及相关损伤容限关注较少；初始强化机制、最小蠕变速率、三级蠕变动力学、断裂延性、断口形貌和空洞形核之间关系也较少用WM和BM试样直接评价。为此，研究人员从Grade 91 SMAW金属和Grade 91 BM制备蠕变试样，直接比较二者变形和断裂行为，系统分析蠕变强度、三级蠕变加速、损伤累积以及氧化物夹杂在空洞形成中的作用，旨在阐明Grade 91 WM与BM蠕变变形和损伤容限差异的来源。该研究将初始强化、组织稳定性、三级蠕变动力学和夹杂物诱导空洞形核联系起来，对Grade 91焊接部件长期完整性评估具有重要意义。

关键技术方法方面，研究人员从T91管材（外径50.8 mm、壁厚7.0 mm）和SMAW制备的B91焊缝中心取样；B91采用18道、直流电极正接（DCEP）160–170 A焊接，层间温度200–315 °C、热输入13.8–17.9 kJ/cm，并经760 °C/120 min焊后热处理。按ASTM E139制备圆棒蠕变试样，在550、600、650 °C和70–270 MPa下进行蠕变试验；用SEM/TEM、碳萃取复片、EDS和SAED表征组织、析出物和夹杂物；用Thermo-Calc计算MX平衡体积分数，结合Orowan机制、板条强化经验关系、LMP、Ω参数和蠕变损伤容限因子分析；用ImageJ统计夹杂物和空洞关联。

研究结果方面，（1）初始显微组织、硬度与夹杂物：通过SEM和TEM观察，T91和B91均为回火马氏体组织，未观察到δ-铁素体；B91中均匀分散球形MnSiO₃夹杂物，平均等效直径约330±140 nm、面积分数约0.27%，EDS和SAED确认其物相；B91平均板条宽度约310 nm，细于T91的约380 nm；B91平均硬度约256 HV，高于T91的约230 HV，且B91局部硬度波动可达约30 HV。由此得出，B91更细板条组织导致更高初始硬度，MnSiO₃夹杂物是SMAW焊缝金属的特征组织。（2）蠕变强度与LMP：通过不同温度和应力下蠕变试验，两种钢断裂时间均随应力降低而增加；在550和600 °C，B91应力–断裂曲线向更长断裂时间和更高应力方向偏移，显示短期和中期蠕变强度较优；在650 °C低应力区，B91强度优势减弱，最低应力下T91断裂寿命更长。LMP拟合显示B91斜率更陡，低LMP区B91高于T91，高LMP区二者趋于收敛。结论是B91强度优势主要与其较高初始硬度有关，并随LMP增加而逐渐消失，相对蠕变性能依赖温度–应力区间。（3）析出物与强化贡献：通过TEM复片和EDS，初始T91和B91均含高密度M₂₃C₆碳化物和MX碳氮化物，蠕变过程中二者粗化并析出富Mo Laves相；M₂₃C₆和Laves相平均尺寸在两种钢间无明显差异，而B91的MX平均尺寸更小。Thermo-Calc预测MX体积分数T91为0.537%、B91为0.336%，实测初始MX平均尺寸分别为28.5和23.8 nm；Orowan估算T91的MX强化增量约比B91高7%，而板条强化增量B91约比T91高23%。因此，B91板条强化增益超过其MX析出强化降低，解释其较高初始硬度和低LMP区较优蠕变强度。（4）三级蠕变加速与损伤容限：通过三级蠕变起始时间与断裂时间关系、蠕变速率–真应变关系、Ω参数和蠕变损伤容限因子分析，三级蠕变起始时间与断裂时间比值T91为0.27、B91为0.35，B91三级蠕变相对起始较晚；但B91达到最小蠕变速率后蠕变速率增加更陡，同温度下Ω值更高；T91的蠕变损伤容限因子高于B91。结论是B91一旦进入三级蠕变，其变形加速更快、断裂前容纳变形能力较低，而T91具有更高损伤容限。（5）蠕变损伤形貌与夹杂物关联：通过断口附近SEM观察，550 °C/260 MPa下T91出现近似平行于应力方向的拉长裂纹状特征，似由颈缩区空洞连接形成；B91同条件下多为较小离散空洞，部分空洞邻近MnSiO₃夹杂物。650 °C/70 MPa下T91单个空洞显著长大但裂纹状损伤相对有限；B91在较短断裂时间内出现大量近似垂直于应力方向的拉长裂纹状特征，表明相邻空洞连接并合并为较大蠕变裂纹。B91非颈缩区102个空洞中62个（61%）与夹杂物相关，相关夹杂物平均等效直径527±160 nm，大于初始B91夹杂物的330±140 nm。由此得出，MnSiO₃/基体界面优先促进空洞形核，较大夹杂物更易与空洞相关；短期空洞对性能影响较小，长期蠕变中空洞连接显著加速损伤。（6）断口形貌：通过SEM断口观察，550 °C较高应力下T91和B91均以韧窝为主，呈韧性断裂；650 °C/70 MPa下T91经17,209 h仍保持完全韧窝形貌，韧窝较大；B91经6,709 h呈韧窝与刻面混合形貌，与空洞连接和裂纹状损伤一致，表明其蠕变损伤更局部化并在充分变形前形成裂纹。该结果与B91更高三级蠕变加速和更低变形容纳能力相一致。

讨论部分总结：讨论将B91短期蠕变强度优势归因于更细板条组织带来的板条强化增量超过MX析出强化降低；但随着LMP升高，B91强度优势逐渐缩小。长期蠕变中，B91三级蠕变加速更快、Ω更高、蠕变损伤容限因子更低；MnSiO₃夹杂物/基体界面提供优先空洞形核位置，促进空洞连接和裂纹化，导致混合断口和提前断裂；T91则以孤立空洞长大和完全韧窝断口为特征。因此，评价Grade 91焊接部件长期完整性需同时考虑初始强化、组织稳定性、三级蠕变动力学、空洞形核及夹杂物作用。

研究结论翻译：1. 在热处理态，马氏体板条界强化对MX沉淀强化起主导影响。B91更细的板条组织提供显著更高的强化增量，解释其更高初始硬度和低LMP区间更优蠕变抗力。2. 虽然B91较T91表现出延迟的三级蠕变起始，但一旦三级变形开始，其蠕变速率加速更快；B91也产生更高Ω值，表明三级蠕变期间更强的应变依赖加速。3. T91表现出比B91更高的蠕变损伤容限因子，表明断裂前容纳蠕变变形和损伤的能力更大。4. 在高温低应力条件下，T91保持完全韧窝状延性断口形貌，以孤立空洞长大为特征；相反，B91因MnSiO₃/基体界面空洞形核而发生广泛空洞连接和微裂纹合并，导致韧窝–刻面混合断口和提前断裂。