高温脆化现象及其影响分析

高温脆化（HTE）是由于在高于大约0.7T_m（熔点）的温度停留而发生的冶金变化所引起的。因为这个温度区间远高于铁素体不锈钢推荐使用的温度，所以HTE一般是在热-机械加工和焊接过程中发生。在这么高温度下停留也可能使耐腐蚀能力明显下降^[2]。如下节要讨论的，对HTE的敏感性主要受钢的成分，特别是铬和间隙元素以及晶粒尺寸的影响。低铬和被稳定化的钢种对HTE相对不敏感。

（1）成分影响 间隙原子，特别是碳、氮和氧的含量水平对铁素体不锈钢的HTE特性有很强的影响。在高温时这些间隙元素在铁素体或铁素体+奥氏体母体中以固溶形式存在；在冷却时这些间隙原子形成析出物，通常是富铬碳化物、氮化物和碳氮化物^[2]。析出可以发生在晶间，也可以发生在晶内，而前者促使晶间腐蚀，后者降低拉伸时的延性和韧度。图5-6示出了高温停留对于含有不同碳、氮含量的中铬铁素体不锈钢冲击韧度的影响。请注意氮的质量分数高于0.02%时，就使韧度严重下降。而在保持氮含量不变，增加碳含量也有相似效应^[1]。所以间隙原子的总含量（C+N）才是关键。在高铬钢中观察到相似现象。Plumtree和Gallberg^[22]报道说在18Cr-2Mo和25Cr合金钢中当C+N的质量分数由0.02%增加到0.06%时，夏比V形缺口冲击试验中脆性-延性转变温度上升了200℃（390℉）。

图5-5 铬含量对于在593℃和649℃（1100℉和1200℉）时形成σ相所需临界时间的影响

（引自Kiesheyer和Brandis^[20]）

图5-6 加热温度对含有不同氮含量的17Cr钢冲击韧度的影响

a）加热到815℃（1500℉）保温1h水淬 b）加热到1150℃（2100℉）保温1h水淬（引自Semchysen等^[21]）

目前形成的共识是：铁素体不锈钢从高温（>0.7T_m）冷却时富铬碳化物和氮化物的析出对HTE产生显著影响^[2，5，21]，因而高水平的铬、碳和氮的含量使HTE变严重。从高温冷却的速度也影响HTE，但是这个效应取决于成分^[23]。对于低（C+N）含量的钢，从1000℃（1830℉）从上的温度快速冷却可以降低脆性[降低韧脆转变温度（DBTT）]这是因为碳和氮残留在固溶体内或者形成了晶内的析出物。而在缓慢冷却时主要是析出晶间碳化物和氮化物，这就使得延性和韧度下降^[24]。但是对高（C+N）含量（1000×10^-6级或更高）的高铬钢，高速冷却会促进脆化、增加DBTT^[25]。因为对于如此高的C+N含量不可能通过加快冷速来抑制碳、氮化物的析出，特别是在高铬钢中，这是因为随铬含量增加，碳和氮的溶解度下降^[5]。添加合金元素如钼、钛、铝和铌对HTE也有影响，虽然相对于铬其重要性低一些。钛、铌和碳有很强的亲和力，可以组成相对稳定的碳化物，因而可以降低由于析出富铬碳化物和碳氮化物而造成的有害影响。形成富铝的氮化物和氧化物也可降低对HTE的敏感性，在微观组织中生成这些析出物也可延缓在高温停留时晶粒的长大。

（2）晶粒尺寸影响 因为HTE产生在高温停留的时间，因而晶粒长大也是影响随后力学性能的一个因素，尽管只是晶粒长大还不能产生全部的脆化效应。在全铁素体（即不含奥氏体）钢中，当温度高于1000℃（2010℉）时晶粒长大十分剧烈，特别是经过冷作硬化的钢，譬如在熔焊热影响区中可能出现晶粒度为ASTM2-3级的粗大晶粒。(www.xing528.com)

Plumtree和Gullberg^[22]对25Cr和18Cr-2Mo钢的研究揭示了晶粒尺寸和间隙元素对HTE的复合效应。图5-7示出了冲击韧度随晶粒尺寸和（C+N）含量的变化。请注意在间隙元素含量低时（350×10^-6），晶粒尺寸微小的增加就能使DBTT显著增加，其数量级为每变动一级ASTM晶粒度可使DBTT产生26°C的移动。当间隙元素含量增加后，晶粒尺寸效应的重要性就下降了（大约是一级ASTM晶粒度的变化，DBTT只发生6℃的移动），因为此时由过量间隙原子引起的脆化起主导作用。因此对于高纯度的钢，随着其晶粒长大，韧度和延性会有很大的降低。

图5-7 晶粒尺寸和间隙元素含量对Fe-25Cr钢冲击韧度的影响

（由Plumtree和Gullberg^[22]图改画，ASTM授权）

（3）高温脆化小结 在高温停留引起的脆化受很多因素的影响，在本质上是成分和微观组织的影响，其中包括：①铬和间隙原子含量；②晶粒尺寸；③析出物的性质及分布。在表5-4中归纳了这些因素对HTE敏感性的影响。一般讲高水平的间隙元素含量（C、N和O）是最危险的因素，因此绝大多数商业用钢（特别是高铬钢）含有极低水平的间隙元素（<200×10^-6）。然而在这样低的间隙元素含量时，晶粒尺寸就变得很重要，即使短时间的高温停留，譬如在焊接时经受的热过程，就很可能导致严重的HTE。

表5-4 成分和微观组织对高温脆化（HTE）的影响

产生HTE的实际机理是很多争论中的主题，争论集中在析出物在微观组织中的位置。一种理论^[2，22]认为：晶内析出物是有害的，因为它们限制了位错的移动。另一种理论把高温脆化归罪于晶间析出和局限于晶界的脆化。由于对HTE敏感的材料的断裂都是典型的穿晶断裂，这样似乎晶内析出对HTE的影响最严重。然而Plumtree和Gullberg^[22]提出晶间析出物能有效地影响起裂，从而降低了穿晶解理断裂成核需要的能量。另外一些研究^[24-26]也认为脆化的产生和晶间析出有关。HTE的实际机理可能是二者的复合，而当冷却速度增加时，晶内析出成为主要因素。两种机理都能用来解释铁素体不锈钢在高温停留后，耐腐蚀性严重下降的原因。

对于间隙元素含量高的钢，通过在730～790℃（1350℉和1450℉）^[1]之间加热可以消除HTE。这种热处理可能使析出物过时效而减少其降低韧度和延性的有害作用。然而在实施这种热处理时要特别当心，因为在这个温度停留太长会引起σ相析出。对间隙元素含量低的钢，脆化主要是由于在高温时晶粒的长大，所以热处理起不了作用。