采用真空熔煉、鍛造、熱處理等工藝制備碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%，0.05%，0.10%的9%Cr鐵素體耐熱鋼，研究了碳含量對(duì)該鋼顯微組織和沖擊性能的影響。結(jié)果表明：不同碳含量試驗(yàn)鋼均由回火板條馬氏體和析出相組成，析出相包括分布于晶界和板條界的M23C6相和板條內(nèi)的MX相。隨著碳含量增加，試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸先減小后基本不變，馬氏體板條寬度先減小后增大，M23C6相含量增加、尺寸增大，試驗(yàn)鋼的高階能先增后降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度先降后升。晶粒尺寸對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響較顯著，而M23C6尺寸和含量對(duì)高階能影響較明顯。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%試驗(yàn)鋼的沖擊性能最好，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度為−90.0℃，高階能為341.0J。
01、研究背景
9%Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）高強(qiáng)韌鐵素體耐熱鋼具有良好的導(dǎo)熱性、較高的中溫強(qiáng)度、較低的氦脆敏感性和輻照腫脹率，常用于制造火電和核電結(jié)構(gòu)部件，成為第四代鈉冷快堆包殼的候選材料。
核電用結(jié)構(gòu)材料在服役中會(huì)面臨輻射的問(wèn)題，使其韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，導(dǎo)致材料產(chǎn)生脆性而出現(xiàn)裂紋，從而嚴(yán)重影響核電站的安全運(yùn)行。通常，要求9%Cr鐵素體耐熱鋼在服役前具有良好的沖擊性能，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于−20 ℃。目前，主要通過(guò)優(yōu)化熱處理制度和合金化的方法來(lái)改善9%Cr耐熱鋼的顯微組織，從而降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。研究表明，9%Cr耐熱鋼的碳通過(guò)固溶和形成第二相的方式提高其強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)降低沖擊性能，這限制了9%Cr耐熱鋼成為包殼材料。商用9%Cr耐熱鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%~0.12%；過(guò)高的碳含量會(huì)導(dǎo)致該鋼在回火過(guò)程中形成更多的M23C6碳化物，在長(zhǎng)期高溫環(huán)境使用過(guò)程中，M23C6碳化物長(zhǎng)大，失去釘扎晶界的作用，從而惡化其沖擊性能。9%Cr耐熱鋼的高溫蠕變速率隨碳含量的降低而降低，高溫蠕變性能提高。
目前，有關(guān)碳含量對(duì)9%Cr耐熱鋼沖擊性能的影響未見(jiàn)報(bào)道。為此，作者制備了碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%，0.05%和0.10%的9%Cr鋼，研究了碳含量對(duì)該鋼顯微組織和沖擊性能的影響，以期為該鋼的組織調(diào)控和性能優(yōu)化提供參考。
02、研究亮點(diǎn)
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
本章節(jié)重點(diǎn)包括：
1. 試樣制備：設(shè)計(jì)三種碳含量（0.01%、0.05%、0.10%）的9%Cr耐熱鋼，經(jīng)真空冶煉、鍛造、熱軋成板坯，并進(jìn)行1050℃淬火+760℃回火熱處理。
2. 組織分析：使用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀(guān)察顯微組織，統(tǒng)計(jì)MC顆粒尺寸和晶粒度；通過(guò)Jmatpro軟件模擬MC相析出行為；透射電鏡觀(guān)察板條馬氏體形貌并測(cè)量寬度。
3. 性能測(cè)試：按國(guó)標(biāo)制備夏比沖擊試樣，在-110℃至25℃溫度區(qū)間進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，通過(guò)玻爾茲曼函數(shù)擬合數(shù)據(jù)計(jì)算韌脆轉(zhuǎn)變溫度，并分析上/下平臺(tái)沖擊能量。
不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)鋼的 TEM 形貌
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
本章節(jié)重點(diǎn)研究了碳含量對(duì)9%Cr鐵素體耐熱鋼組織與沖擊性能的影響。主要結(jié)論如下：
1. 組織特征：所有試驗(yàn)鋼均為回火板條馬氏體組織，無(wú)δ-鐵素體- 隨碳含量增加（0.01%→0.10%），晶粒尺寸先減?。?2→18μm）后穩(wěn)定，馬氏體板條變細(xì)（596→473nm）- MC相析出溫度（820→860℃）和含量（0.22%→2.22%）隨碳含量增加而升高。
2. 析出相行為：- 低碳（0.01%）時(shí)析出相較少，中高碳（0.05-0.10%）時(shí)MC相（晶界/板條界）和MX相（板條內(nèi)）顯著增多- MC相尺寸隨碳含量增加而增大（260→480nm）
3. 沖擊性能：韌脆轉(zhuǎn)變溫度先降后升（-29.1→-90.0→-81.7℃），0.05%碳含量時(shí)最優(yōu)- 高階能呈相同趨勢(shì)
（334.4→341.0→290.7J）。斷裂方式：低碳為韌性斷裂，高碳（0.10%）出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂。
4. 機(jī)理分析：馬氏體板條細(xì)化和晶粒尺寸減小是改善韌性的主因： 過(guò)量碳（0.10%）導(dǎo)致MC相粗化，削弱釘扎作用，惡化韌性。碳化物含量和尺寸主要影響高階能，而板條/晶粒尺寸主導(dǎo)韌脆轉(zhuǎn)變溫度。
不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)鋼的室溫沖擊斷口形貌
03、結(jié)束語(yǔ)
（1）不同碳含量試驗(yàn)鋼均由回火板條馬氏體和析出相組成，析出相主要為M23C6相和MX相，M23C6相分布于晶界和板條界，MX相分布在板條內(nèi)；隨著碳含量增加，試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸先減小后基本不變，馬氏體板條寬度先減小后增大，析出相含量增加，M23C6相尺寸增加。
（2）隨著碳含量增加，試驗(yàn)鋼的高階能先增后降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度先降后升；晶粒尺寸對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響較顯著，而M23C6碳化物尺寸和含量對(duì)高階能影響較明顯。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%試驗(yàn)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為−90℃，高階能為341.0J，沖擊性能最好。
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