美标钢材T91

SA-213 T91,是ASME SA-213/SA-213M标准中的钢号,属于改良型9Cr-1Mo钢,是上世纪70年代至80年代,是由美国橡胶岭国家试验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制。

在早期的9Cr-1Mo钢基础上研制开发,用于核电(也可用于其它方面)高温受压部件材料,是热强钢的第三代产品,其主要特点是降低了含碳量,在限制碳含量上下限、更加严格控制P和S等残余元素含量的同时,添加了微量0.030-0.070%的N、以及微量的强碳化物形成元素0.18-0.25%的V和0.06-0.10%的Nb,以达到细化晶粒要求,从而改善了钢的塑韧性和焊接性,提高了钢的高温稳定性,经过这种多元复合强化,形成新型马氏体型高铬耐热合金钢。

T91,通常情况下制作产品为小口径管,主要用于锅炉、过热器及换热器中。

各国与T91钢对应的钢号见下表

国别 美国 德国 日标 法国 中国
对应钢号 SA-213 T91 X10CrMoVNNB91 HCM95 TUZ10CDVNb0901 10Cr9Mo1VNbN

根据ASTM A213/A213M-08,T91化学成份表(%)

元素 C Mn P S Si Cr Mo Ni V Nb N AL
含量 0.07-0.14 0.30-0.60 ≤0.02 ≤0.01 0.20-0.50 8.00-9.50 0.85-1.05 ≤0.40 0.18-0.25 0.06-0.10 0.030-0.070 ≤0.020

二 性能分析

2.1 合金元素对材料性能的影响作用:T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能,具体分析如下。

2.1.1 碳是钢中固溶强化作用最明显的元素,随含碳量的增加,钢的短时强度上升,塑性、韧性下降,对T91这类钢而言,含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度,加速合金元素的再分配,降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性,故耐热钢一般都希望降低含碳量,但含碳太低,钢的强度将降低。T91钢与12Cr1MoV钢相比,含碳量降低20%,这是综合考虑上述因素的影响而决定的。

2.1.2 T91钢中含微量氮,氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用,常温下氮在钢中的溶解度很小,T91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中,将先后出现VN的固溶和析出过程:焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入,氮含量增加,此后常温组织中的过饱和程度提高,在随后的焊后热处理中有细小的VN析出,这增加了组织稳定性,提高了热影响区的持久强度值。另一方面,T91钢中还含有少量A1,氮能与其形成A1N,A1N在1 100℃以上才大量溶入基体,在较低温度下又重新析出,能起到较好的弥散强化效果。

2.1.3 加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力,含铬量小于5%时,600℃开始剧烈氧化,而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580℃以下具有良好的抗氧化性,腐蚀深度为0.05 mm/a,600℃时性能开始变差,腐蚀深度为0.13 mm/a。T91含铬量提高到9%左右,使用温度能达到650℃,主要措施就是使基体中溶有更多的铬。

2.1.4 钒与铌都是强碳化物形成元素,加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物,有很强的弥散强化效果。

2.1.5 加入钼主要是为了提高钢的热强性,起到固溶强化的作用。

2.2 机械性能

T91钢坯经过最终热处理为正火+高温回火后,具有的常温抗拉强度≥585 MPa,常温屈服强度≥415 MPa,硬度≤250 HB,伸长率(50 mm标距的标准圆形试样)≥20%,许用应力值[σ]650℃=30 MPa。

热处理工艺为:正火温度为1040℃,保温时间不少于10 min,回火温度为730~780℃,保温时间不少于1h。

2.3 焊接性能

按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得T91钢的碳当量为:2.43%,可见T91的焊接性较差。

该钢无再热裂倾向。

2.3.1 T91焊接时存在的问题

2.3.1.1 热影响区淬硬组织的开裂

T91的冷却临界速度低,奥氏体十分稳定,冷却时不易发生正常的珠光体转变,要冷却到较低温度(约400℃)才能转变为马氏体,且组织粗大。

焊接产生的热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式,在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩;另一方面,由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点,故而T91焊接接头内部应力很大。淬硬的粗大马氏体组织接头即处在复杂应力状态下,同时,焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散,氢的存在又促使了马氏体脆化,这种综合作用,很容易在淬硬区产生冷裂纹。

2.3.1.2 热影响区晶粒长大

焊接热循环对焊接接头热影响区的晶粒长大有重大的影响,特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时,在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织,使钢材的塑性明显下降;冷却速度大时,由于产生了粗大的马氏体组织,也会使焊接接头塑性下降。

2.3.1.3 软化层的产生

T91钢在调质状态下焊接,热影响区产生软化层不可避免,而且比珠光体耐热钢的软化更为严重。当用加热和冷却速度均较缓慢的规范时,软化程度较大。另外,软化层的宽度和它离熔合线的距离,不仅与焊接的加热条件及特点有关,还与预热、焊后热处理等有关。

2.3.1.4 应力腐蚀裂纹

T91钢在焊后热处理之前,冷却温度一般不低于100℃,如果在室温下冷却,而环境又比较潮湿时,容易出现应力腐蚀裂纹。德国规定:在焊后热处理之前必须冷却至150℃以下。在工件较厚、有角焊缝存在及几何尺寸不好的情况下,冷却温度不低于100℃。如果在室温下冷却,严禁潮湿,否则容易产生应力腐蚀裂纹。

2.3.2 焊接工艺

2.3.2.1 焊接方法:可采用手工焊、钨极气体保护焊或熔化极自动焊。

2.3.2.2 焊接材料:可以选用WE690的焊丝或者焊条。

焊接材料选用:

1)同种钢焊接——如果手工焊时可用日制CM-9Cb手工焊条,钨极气体保护焊可用日制TGS-9Cb,熔化极自动焊可用MGS-9Cb焊丝;

2)异种钢焊接——如与奥氏体不锈钢焊接可用ERNiCr-3焊材。

2.3.2.3 焊接工艺要点:

1)焊前预热温度的选择

T91钢的Ms点约为400℃,预热温度一般选在200~250℃。预热温度不能太高,否则接头冷却速度降低,可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织,从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。德国规定预热温度为180~250℃,美国CE公司规定预热温度为120~205℃。

2)焊道/层间温度的选择

层间温度不得低于预热温度下限,但如同预热温度的选取一样,层间温度也不能过高。T91焊接时层间温度一般控制在200~300℃。法国规定:层间温度不超过300℃。美国规定:层间温度可位于170~230℃之间。

3)焊后热处理起始温度的选择

T91要求焊后冷却到低于Ms点以下并保持一定时间再进行回火处理,焊后冷却速度为80~100℃/h。如果未经保温,接头的奥氏体组织可能没有完全转变,回火加热会促使碳化物沿奥氏体晶界沉淀,这样的组织很脆。但是T91焊后也不允许冷却到室温再进行回火,因为其焊接接头冷却到室温时就有产生冷裂纹的危险。对于T91来说,最佳的焊后热处理起始温度为100~150℃,并保温1h,可基本确保组织转变完毕。

4)焊后热处理回火温度、保温时间、回火冷却速度的选择

回火温度:T91钢冷裂倾向较大,在一定条件下,容易产生延迟裂纹,故焊接接头必须在焊后24 h内进行回火处理。T91焊后状态的组织为板条状马氏体,经过回火可变为回火马氏体,其性能较板条状马氏体优越。回火温度偏低时,回火效果不明显,焊缝金属容易时效而脆化;回火温度过高(超过AC1线),接头又可能再次奥氏体化,并在随后的冷却过程中重新淬硬。同时,如本文在前面所述,回火温度的确定还要考虑接头软化层的影响。一般而言,T91回火温度为730~780℃。

保温时间:T91焊后回火保温时间不少于1 h,才能保证其组织完全转变为回火马氏体。

回火冷却速度:为了降低T91钢焊接接头的残余应力,必须控制其冷却速度小于5 ℃/min。

总体来说,T91钢的焊接工艺中温度控制过程可用下图简要表示。

三 对T91钢的总体认识

3.1 T91钢靠合金化原理,尤其是添加了少量铌、钒等微量元素,高温强度、抗氧化性较12 Cr1MoV钢有较大的提高,但其焊接性能较差。

3.2 T91钢有较大冷裂倾向,在焊接时需要进行焊前预热200~250 ℃,保持层间温度200~300 ℃,可有效防止冷裂纹产生。

3.3 T91钢焊后热处理之前,必须冷却到100~150 ℃,保温1 h;然后再升温回火温度达到730~780 ℃,保温时间不少于1 h,最后以不大于5 ℃/min速度冷却至室温。

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