武汉大学本科毕业论文

学号________________

密级________________武汉大学本科毕业论文

合金化对P92钢焊缝金属Ac1点影响的研究

二○一○年六月

BACHELOR'S DEGREE THESIS

OF WUHAN UNIVERSITY

Study the Effect of Alloying on Ac1of P92

weld metal

June2010

郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：_______________日期：______________

摘要

P92钢是广泛用于超超临界锅炉的一种新型马氏体耐热钢，焊缝韧性偏低是其焊接时的一个突出问题。近年来的研究表明，通过焊缝的合金化和合适的焊后热处理工艺可以改善焊缝韧性。合金元素的加入虽然可以改良焊缝的韧性，但同时那些奥氏体形成元素也会降低焊缝金属的Ac1，由于P92焊后必须进行回火处理以得到回火马氏体，改善焊接接头的组织和性能，而回火温度的选择必须考虑到焊缝金属的Ac1，以避免超过焊缝金属Ac1点而得到未回火的马氏体。从而找出合金元素对于焊缝Ac1的影响规律显得十分重要。

本文通过利用Thermo-Calc软件进行热力学平衡计算和Matlab软件对实验数据进行回归分析，得出不同合金元素对P92钢焊缝金属的Ac1点影响规律。

经研究分析表明，C、N、Ni、Mn、Co等奥氏体元素均降低P92焊缝金属Ac1，其中C、N影响比较温和，Ni、Mn影响十分显著，而Co的影响则比较小。Cr、Mo、W、V等铁素体稳定元素提高P92焊缝金属Ac1，它们含量与Ac1呈线性关系，且各自的影响均不是十分显著，四者对Ac1影响的大小顺序为Cr

最后通过多元回归分析得出各合金元素对Ac1的综合影响计算公式，为P92钢焊缝的焊后热处理参数的选择提供指导。

关键词：P92钢；焊缝金属；合金化；Ac1点

ABSTRACT

P92steel is a new martensitic steel which is widely used in ultra supercritical boiler,the low toughness of its weld seam is a prominent problem.In recent years, studies have shown that through the weld alloying and suitable heat treatment after welding process can improve weld toughness.Although the addition of alloying elements can improve the toughness of weld,those elements also reduce the formation of austenitic weld metal Ac1,as P92must be tempered after welding in order to obtain martensite to improve the welded joints organization and performance,while the choice of the tempering temperature must take into account weld metal Ac1,in order to avoid beyond Ac1point and weld metal are untempered martensite.To identify the effects of alloy elements on Ac1for the weld is very important.

In this paper,using Thermo-Calc thermodynamic equilibrium calculation software and Matlab software regression analysis of experimental data,obtained with the effects of different alloying elements on Ac1of P92steel weld metal.

The analysis shows that,C,N,Ni,Mn,Co and other elements were lower P92 austenitic weld metal Ac1,including C,N affect the more moderate,Ni,Mn effect is significant,but the impact of Co is relatively small.Cr,Mo,W,V and other ferrite stabilizing element to improve P92weld metal Ac1,they are content with the linear relationship between Ac1and their effects are not very significant,the four effects on the order of Ac1Cr

Finally,multiple regression analysis the the combined effects of alloy elements on Ac1,and get a formula,providing guidance of parameter selection for P92steel post weld heat treatment.

Keywords:P92steel;weld metal;alloying;Ac1point

目录

第1章绪论 (1)

1.1课题研究背景 (1)

1.2P92钢焊缝韧性与焊后热处理工艺的选择 (2)

1.3焊缝Ac1对P92钢焊后热处理参数选择的影响 (5)

1.4目前焊缝金属Ac1确定方法的局限性 (6)

1.5本课题研究的内容 (8)

第2章P92钢焊缝金属的合金化理论 (9)

2.1P92钢焊缝中合金元素的作用 (9)

2.2P92钢焊缝金属合金化设计原则 (11)

2.3合金元素对P92钢焊缝Ac1影响的定性分析 (13)

2.4本章小结 (15)

第3章研究方法及方案设计 (16)

3.1热力学计算软件Thermo-Calc介绍 (16)

3.2焊缝金属Ac1点确定方法 (17)

3.3研究方案 (20)

3.4数据处理与建模方法 (22)

3.5本章小节 (25)

第4章计算结果及分析 (26)

4.1C、N含量变化对焊缝Ac1的影响 (26)

4.2Cr、Mo、W、V含量变化对焊缝Ac1的影响 (27)

4.3Ni、Mn含量变化对焊缝Ac1的影响 (30)

4.4Co含量变化对焊缝Ac1的影响 (31)

4.5各种元素影响的综合分析 (32)

4.6本章小节 (32)

计算公式的提出 (33)

第5章P92焊缝Ac

1

5.1焊缝Ac1点实测数据 (33)

5.2计算模型的修正 (34)

第6章结论 (36)

参考文献 (37)

致谢 (39)

附录 (40)

第1章绪论

1.1课题研究背景

随着我国工业发展步伐的加快和国民消费水平的提高，我国电力工业目前正面临着巨大的挑战，电力紧缺现象随着经济发展越来越明显。既要满足国民经济发展对电力需求的超常速度增长，又要承受世界范围的能源危机，以及自然环境问题带来的压力。我国目前的燃煤火电机组主要以亚临界以下参数机组为主，其热效率比工业发达国家（以超超临界机组为主）低10%以上。另外，由于全球气候变暖使得减少温室气体排放引起广泛重视，而燃煤和燃油发电行业是CO2的主要制造者，而提高发电热效率是减少CO2排放的重要途径之一。从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高进入蒸汽轮机的蒸汽压力和温度。因此，今后我国火电建设将主要是发展高效率高参数的超临界(SC)和超超临界(USC)火电机组。要保证机组在较高温度与压力下稳定运行，要求使用高温强度更高的钢材，否则必然使构件的壁厚成倍地增大。可见电力技术的发展在很大程度上依赖于材料技术的发展水平，材料已成为关键因素之一。国外已经开发并应用了用于超超临界电站（蒸汽温度650℃、压力25MPa）的新型耐高温合金T92/P92钢，由于P92钢中W、Mo固溶强化和V、Nb、B碳氮化物沉淀强化的作用，它比其它铁素体合金钢具有更高的高温强度和蠕变性能，它在600℃以上的温度下具有很高的蠕变持久强度和蒸汽抗氧化能力，它的抗腐蚀性和抗氧化性能等同于其它含9%Cr的铁素体钢。使用P92钢可以减轻锅炉和管道部件的质量，P92钢的抗热疲劳性强、热传导系数和膨胀系数远高于奥氏体不锈钢，T92/P92钢已开始被应用于超临界和超超临界燃煤和燃油电站的建设，可能应用在锅炉汽包、主蒸汽管道和汽轮机箱体等结构上[1]。

尽管P92钢开发出来已经有20多年了，但在国外大规模应用的业绩并不是太多，在国内刚开始应用。P92钢除了固溶强化和沉淀强化外，主要通过微合金化、控制形变热处理和空冷获得高密度位错和高度细化的晶粒，从而使这类钢种在进一步强化的同时，其韧性也得到显著提高。然而由于焊接过程的冷却速度、晶粒及组织的变化无法与钢材加工的精细程度相比，致使焊缝性能比母材差，常温冲击韧性低，焊接时其突出问题是焊缝性能劣化和HAZ性能劣化。如不采取正确合

理的工艺，很容易产生冷裂纹、热裂纹和再热裂纹以及焊缝的韧性低、热影响区软化和Ⅳ型裂纹。因此焊接接头是影响机组运行安全的最薄弱环节，如果焊接质量得不到保证，P92的优势将不复存在，并会对机组运行安全性带来威胁[2]。近年研究发现，焊缝韧性偏低是其焊接时的一个突出问题，采用电弧焊焊接P92钢时，由于焊缝是温度极高的熔融状态冷却下来的铸造组织，它没有机会经过TMCP过程（Thermal-Mechanical Control Process）即热控轧加工过程，晶粒得不到细化，不可能获得极细颗粒弥散析出的Nb、V碳氮化合物和高度细化的晶粒，即不具备细晶强韧化的条件。相反，由于熔池金属的高温停留以及快速的凝固冷却，熔敷金属中的Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金属中，不仅难以细化晶粒、韧化焊缝，反而通过固溶强化而降低焊缝韧性，同时W的存在更加剧了焊缝韧性的降低。受压设备投运或检修后，都要经历冷起动过程，因此其焊接接头应具有一定的抗脆断性能，即要求有一定的韧性。另外由于P92钢具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向为了避免焊缝金属时效后韧性过低，也要求提高焊缝金属时效前的原始韧度，为时效留出一定的余量。因而如何提高焊缝金属的冲击韧性是P92钢焊接中的主要问题[3]。研究表明，焊缝金属合金化和适当的焊后热处理可以改善焊缝韧性。

1.2P92钢焊缝韧性与焊后热处理工艺的选择

影响P92钢焊缝冲击性能的因素包括焊接工艺、焊后热处理温度及时间，焊接材料等。P92钢属于马氏体耐热钢，焊后焊缝组织全部转变为脆硬的马氏体组织，组织硬度相当高，焊缝是由温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造组织，组织和晶粒不能获得细化，马氏体板条粗大，在板条马氏体亚结构内部存在高密度的位错缠结阻碍了位错运动，从而提高了马氏体基体的硬度和强度，又由于焊缝迅速冷却过程中，熔敷金属中的V、Nb元素无法均匀弥散地析出，降低了焊缝的韧性[4]。另外P92钢在参数为600℃以上的超超临界机组中长期运行时，由于钨的加入促进了Laves相的析出，增大了P92钢的脆化倾向。因此为了超超临界机组运行和检修过程的安全，必须保证足够的冲击功。国内的《T／P91焊接工艺导则》也提出了41J的最低要求。对于P92钢，其最低抗拉强度不得低于620Mpa，有资料介绍对于P92钢焊缝金属的硬度合格范围为190～263HV，也有文献报道为236～285HV[4]。P92钢焊后热处理对于焊缝的蠕变断裂强度、降低焊缝金属的硬度提高

冲击韧性等有着重要的影响，P92焊缝在焊后热处理过程中，马氏体板条并不发生再结晶，而是以多变化回复的马氏体板条碎化，和亚稳定态位错网络的形成来释放马氏体相变时的形变储存能，熔敷金属中的Nb、V在回火过程中形成微细的C、N化合物析出，增加了焊缝的抗高温蠕变性能以及焊缝的韧性。为降低焊接残余应力改善组织性能，以获得足够的冲击功，必须进行焊后高温回火热处理。

1．P92钢焊后热处理工艺介绍

焊后热处理（post weld heat treatment）是在焊接工作完成后，将焊件加热到一定的温度(材料的相变温度Ac1以下)，保温一定时间，使焊件缓慢冷却下来，以改善焊接接头的金相组织和性能或消除残余应力的一种焊接热处理工艺。P92钢焊后热处理工艺如下图1.1所示，包括两个阶段，首先是焊接完毕后先让焊缝冷却到80～100℃恒温1小时处理，以确保整个焊缝完全进行马氏体转变的完全马氏体化热处理。保温处理时保温层的最小推荐宽度为加热带每侧增加75mm和3倍壁厚的较大值，热电偶沿着周向布置在焊缝中心线上。第二步是立即进行P92钢焊后热处理，即进行(760±10)℃的高温回火热处理，采用电脑温控仪控温，履带式加热器加温。升温速度按6250／壁厚℃／h计算，且不得超过150℃。保温时间按每25mm为lh计算，且不得少于4h。热处理完成后，注意控制降温，降温至300℃时可拆除加热器自然空冷[5]。

图1.1P92钢热处理工艺曲线

2．P92钢焊后热处理工艺参数选择

800～845℃，AC3为900～920℃，M S温度为370～400℃，M f的温度大约为100℃以上，并且它们随奥氏体原始晶粒度的大小而变化[6]。为降低焊接残余应力改善组织性能，必须要进行焊后高温回火热处理，回火参数的选定十分重要，而P92钢焊缝及热影响区组织的一大特点是其突出的高抗回火软化性能，也就是回火温度需在750℃到780℃之间才会得到析出物和碳化物MC（M=Fe、Cr或Mo）和MX（M=V或Nb，X=C或N）型钒/铌碳氮化物的回火马氏体组织，这些析出物通过沉淀强化而改善了材料蠕变断裂强度。比如通过公式P=T(20-lgt)×10-3（P为回火参数，T为热处理温度K，t为恒温时间s）我们可以看出，由于对于厚壁大管而言由于内壁至外壁在厚度方向上温度的不均匀，使得在同样的恒温时间下，焊缝接头不同部位存在回火程度的差异，而通过延长恒温时间，在理论上似乎是可行的，根据上式，回火参数P（760℃，4h）相当于（740℃，12h）相当于（720℃，38h）。但回火参数对于焊缝冲击功的影响是相当复杂的，有资料显示，在760±10℃范围内，P92焊缝的冲击功达到41J以上，而在740℃左右，要达到这一指标必须延长恒温时间，而在730℃以下时，无论恒温时间再怎样延长，冲击功也很难达到41J这一韧度指标的要求。由此可见热处理的温度对于P92焊缝的韧度影响特别敏感[3]。未经焊后热处理的P92钢熔敷金属的显微组织为呈板条状的低碳马氏体。文献[7]表明焊后经500℃较低温度回火时所得到的组织是马氏体分解后形成的低碳α相和弥散ε碳化物组成的复相组织，这种组织较淬火马氏体容易腐蚀，故在光学显微镜下呈黑色针状组织。在600℃中等温度回火后得到的组织是由细板条状或细粒状渗碳体和接近或已达到平衡的α固溶体(铁素体)组成，但α固溶体仍大致保持板条马氏体形态。而在700℃以上较高温度回火后得到的回火索氏体组织是由较粗的粒状渗碳体和α固溶体(铁素体)组成，其中粗大的粒状渗碳体在光学显微镜下即可看到。随着回火温温度的增加，回复作用导致晶内位错密度明显下降，导致亚晶粒和低能态位错网形成，从而降低了材料的强度和硬度。回火时间的长短对熔敷金属显微组织的影响并不明显，回复阶段材料的强度和硬度有所降低，但其幅度是有限的。另外，在高温下随着保温时间的延长，碳化物、氮化物逐渐以极细的质点析出，碳化物相沉淀于位错上，能“锁固”位错的攀移，从而有效地提高热强性[8]。因而在焊后热处理工艺制订过程中要考虑以下三方面的参数制订，并结合相关评定措施及试验依据和施工现场的具体环境及要求得出合理的数值。

1)热处理升、降温速度

升、降温速度应按下述原则控制：对承压管道和受压元件，焊接热处理升、降温速度为6250/δ(单位为℃/h，其中为焊件厚度mm)且不大于300℃//h。降温时，300℃以下可不控制。对主管与接管的焊件(如管座)，应按主管的壁厚计算焊接热处理的升、降温速度；对返修焊件其恒温时间按焊件的名义厚度计算，计算方法参见相关标准[9]。

2)热处理温度设定

由于P92钢焊接材料设计理念不同，导致焊缝金属的成分不同因而其Ac1温度也不同，因此应参考焊材厂家推荐的回火温度，并进行工艺评定验证现场热处理温度通常根据规范要求取760±10℃。在实际热处理过程中应根据所用焊材Ni、Mn含量调整实际的热处理控温温度。当Ni+Mn<1.0％时，热处理温度应往上限设定，当1.0％≤M+Mn<1.5％时，热处理温度应设定为760℃。同时在设定控温温度时应考虑热电偶及温控柜的误差[10]。最高温度比焊缝金属Ac1低15℃。

3)热处理恒温时间设定

保温时间根据管道壁厚、加热温度、加热方式、保温散热条件等来确定，同时由于W的加入，P92钢的抗回火能力有所增强，焊缝冲击功更难以提高，保温时间需要相对长一些。当电厂P92管道壁厚较厚时，热处理均温时间较长，一般为保证焊后热处理效果，P92厚壁大管保温时间一般按8min/mm计算且至少≥4h，如欲提高热处理效率、缩短热处理时间，也可考虑选用6min/mm来计算恒温时间。另外如果对焊缝热处理后的硬度要求较高(≤250HB)将发延长恒温时间[10]。

1.3焊缝Ac1对P92钢焊后热处理参数选择的影响

焊后热处理温度的确定要综合考虑母材的Ac1温度、焊缝金属的Ac1温度等，如上所述焊后热处理的最高加热温度应该比焊缝金属的Ac1低15℃，以保证现场热处理中回火温度不会超过焊缝金属的Ac1。由于Mo和W元素均有固溶强化作用，P92钢具有较高的抗回火软化性能，因此该钢种焊后回火温度较高，已接近材料的Ac1值。针对P92钢焊后热处理温度这一问题，在进行热处理时控制稍有不当极有可能超过母材和焊缝金属的Ac1值，导致产生新的奥氏体相，生成的奥氏体在随后的冷却中转变成未回火的马氏体组织，使材料高温持久强度显著降低，硬度增加冲击韧性下降，降低接头的整体性能[11]。但回火温度如选择偏低值时，钢

又达不到应用的回火效果，可能会造成焊接接头韧性不足，无法保证材料的塑韧性指标要求，另外有研究表明当回火温度在740℃以下时，焊缝基体组织仍保持着相位较明显的板条马氏体组织特征，这也说明马氏体板条多变化回复不充分，没有形成完整的位错网络，形变储存能没有充分地释放，这使得此时的焊缝硬度值偏高，同时焊缝的其他性能指标也达不到要求。如以延长保温时间来弥补因恒温温度低造成马氏体回复不充分的缺憾，不仅在时间上影响工程施工进度，而且会使热处理成本偏高不经济[12]。因此焊接过程中应结合所选焊材的特点和相关研究资料来确定最佳回火方案，既保证焊后热处理效果，同时符合经济性要求。焊后热处理上限温度不能高于熔敷金属的Ac1温度，回火温度的下限由试验确定。据有关资料介绍，影响回火温度的因素较多，如焊材成分波动的影响，特别是Mn、Ni 含量变化会对焊缝的相变温度产生较大的影响，比较理想的情况是根据每一批次焊材的Ac1温度或Mn、Ni含量来适当调整焊后热处理温度。在最新版的ASME 标准中，已经提出了根据焊材Mn、Ni含量调整热处理温度的要求[11]。故而焊缝金属Ac1是焊后热处理中需要考虑到的一个重要的因素，因此在制订焊后热处理工艺参数的时候要考虑到焊缝金属的Ac1值，以避免焊后热处理的最高温度超过该值而对焊缝金属的组织和性能造成恶化。

1.4目前焊缝金属Ac1确定方法的局限性

目前，确定焊缝金属的Ac1主要有两种方法。第一种是物理方法，即通过试验来测定Ac1，一般常用的测定钢的临界转变温度Ac1的方法主要有热分析法、膨胀法、硬度法、磁性法、电阻法、X-射线结构分析等。膨胀法测定钢的临界点原理比较简单，当材料在加热或冷却过程中发生相变时，若高温组织及其转变产物具有不同的比容和膨胀系数，则由于相变引起的体积效应叠加在膨胀曲线上，破坏了膨胀量与温度间的线性关系，从而可以根据热膨胀曲线上所显示的变化点来确定相变温度。这种根据试样长度的变化研究材料内部组织的变化规律的称为热膨胀法（膨胀分析）。长期以来，热膨胀法已成为材料研究中常用的方法之一。钢中膨胀系数由大到小的顺序为：奥氏体>铁素体>珠光体>上、下贝氏体>马氏体；比容则相反，其顺序是：马氏体>铁素体>珠光体>奥氏体>碳化物（但铬和钒的碳化物比容大于奥氏体）。由钢的热膨胀特性可知，当碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时，钢的体积将发生突变。通过膨胀曲线分析，可以测定相变温度和相变动

力学曲线。相变发生时曲线偏离纯线性收缩，曲线出现拐折，拐折的起点和终点所对应转变的温度分别是相变开始点及终止点，膨胀曲线示意图如下图1.2所示。这种方法测Ac1对设备要求较高，操作时加热速率应比较低即保证趋近于平衡条件，测得结果较为准确。

图1.2测定钢临界点的膨胀曲线示意图

第二种方法是计算的方法，即通过热力学平衡计算得出己知组成的焊缝金属的Ac1，这种方法比较省时省力，比用试验方法确定焊缝Ac1更简便快捷，便于计算各种不同成分的焊缝Ac1，同时还可以方便的得到各元素的影响规律。文献[19]通过对不同成分下的埋弧焊P91焊缝金属的Ac1温度进行试验测定并运用Thermo-Calc热力学计算软件对化学组成对Ac1温度的影响进行计算，得到一个关于（Mn+Ni）含量变化的计算P91焊缝金属Ac1相变点温度的公式：

(1.1)

并与试验测定结果相对比，结果表明当（Mn+Ni）含量不大的情况下，可以通过该表达式进行Ac1的估算。另外国内文献[12]也提出了用如下公式（1.2）计算德国蒂森公司生产的P92钢焊接材料MTS616焊丝（φ2.4mm）、MTS616焊条（φ3.2mm）的Ac1点：

(1.2)

显然上述第一种方法很难适应快速确定焊后热处理回火温度的要求，不能很方便的对焊缝Ac1有一个定量的估计，且如果想要确定多组不同成分的焊缝金属Ac1所需的试验量是非常大的，大量试验浪费了时间和精力，增加了成本。第二种

方法可以很好的估计焊缝金属Ac1相变点温度，热力学计算节省了试验时间和成本，但通过热力学计算的方法得出的结果与实际测得值之间会有一定误差，另外公式（1.1）、（1.2）中都只给出了关于（Mn+Ni）含量Ac1计算公式，没有考虑其它合金元素的影响，这给计算结果造成的误差更大，当其它元素的含量变化较大，而镍、锰元素变化小的时候该公式不可用于焊缝金属Ac1计算。因而对于P92钢焊缝金属而言，找出一个可以综合考虑各种主要合金元素对Ac1的计算公式是非常有意义的。这对于大批量、快速计算确定焊材Ac1非常有帮助。

1.5本课题研究的内容

避免焊缝金属韧性过低，提高焊缝金属的冲击韧性是P92钢焊接中的主要问题，近年来的研究表明对焊缝金属进行合金化和焊后热处理均有助于改善焊接接头的冲击韧性以达到冲击功的要求。由前面介绍知当P92钢焊缝金属成分与母材完全一致时，焊缝冲击韧性较低，为了改善焊缝韧性，必须对焊缝进行合金化设计，由于焊接材料的设计理念不同，不同的焊接材料焊接所得到的焊缝金属Ac1也不尽相同，且均比母材的Ac1要低。即焊缝金属的合金化会使得焊缝Ac1低于母材，不同焊接材料的焊缝Ac1也不尽相同，而焊后热处理中为了达到改善焊缝金属的组织和性能的目的，并尽量缩短保温时间和降低热处理成本，必须尽量提高回火温度，而回火温度选择过高时有可能超过焊缝金属的Ac1点，因此二者之间有一个矛盾，即如何在通过合金化改良焊缝韧性的同时，在进和焊后热处理时回火温度尽量提高但又不会超过该焊缝金属的Ac1。因此针对不同的P92焊缝制定出合适的热处理温度参数是一个很重要的问题，为了避免在热处理阶段形成新的未回火马氏体，加热温度必须低于焊缝的金属的Ac1相变点温度15℃，本课题围绕P92钢回火温参数的选择与焊缝金属Ac1关系的这个关键问题，通过理论分析和试验研究，得出不同合金成分下的主要合金元素对P92钢焊缝金属Ac1的影响规律，并综合考虑各主要合金元素对Ac1的影响，求出一个Ac1计算公式，为P92钢焊缝的焊后热处理参数的选择提供指导，并为P92钢焊接材料的合金化设计铺平道路。

第2章P92钢焊缝金属的合金化理论

2.1P92钢焊缝中合金元素的作用

1．Cr的作用

Cr在高铬钢中的作用主要有三个：一方面提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性能；另一方面是固溶于基体中起固溶强化作用；三是形成M7C3和M23C6起沉淀强化作用[13]。Cr含量被确定在8％左右是为了获得完全马氏体(M)组织，这样即使在该类型钢中添加有利于铁素体形成的W和V合金元素，也能得到上述马氏体组织；另外，P92钢中含9％的Cr可以提高基体的再结晶温度，这样有利于固溶强化作用的发挥；Fujita等人研究了Cr含量在3～15％变化时Cr-2Mo-V-Nb钢的持久强度和显微组织，发现含Cr为9～10％的钢回火抗力最高，因而大大降低了基体的回复速率。这有助于位错强化作用的发挥。综合考虑上述韧性、强度、固溶强化与位错强化等因素，P92钢中含9％Cr是较理想的[14]。

2．Mo的作用

Mo可以提高钢的高温强度，随Mo含量（不能超过1.0%)的增加，在温度不超过650℃时，以及650℃左右短期内蠕变强度增加，室温韧性增加。Mo在高温回火时，能形成M2C和M6C两种亚稳定碳化物。随Mo含量增加，沉淀硬化相M2C、M6C增加，因Fe与Mo体积比差大，使位错密度增加，固溶强化也增加。当Mo含量较低(<0.5%)时，含Mo钢在长时期下使用(如650℃时效)，M2C、M6C 会消失，而析出球状及盘状的Laves相Fe2Mo，同时也会生成含V的Laves相，构成长期使用中热强钢的主要强化相。所以，在650℃以下，增加Mo含量(<1.0%)对长期蠕变强度很有益。但是当温度高于650℃时，长期使用，随Mo，V含量增加，M2C和M6C粗化、消失，Laves相也由共格盘状向半共格或非共格球状过渡，降低蠕变强度。此外，Mo还可以提高材料的韧性，其定量表述式为：FATT＝-6.9+23.16P-43Cr-108Mo+K。Mo能有效地降低脆性转变温度，其原因是Mo能降低P在α铁的溶解度，抑制Sb、Sn引起的脆化。还有资料认为在高温长期作用时，Mo的作用消失。也有资料认为，Mo通过加速M7C3→M23C6转变，促进了时效[14]。

3．W的作用

W也是能够显著提高耐热钢的持久强度和蠕变极限的合金元素。较多的试验数据表明：耐热钢中W和Mo复合加入对提高钢的热强性效果比单独加入等量的

W或Mo要优越。相关文献证实了W的上述有益作用：在9Cr-1Mo-V-Nb钢中，添加W，使该钢在高温下的长期蠕变断裂强度得到改善，另外，加入W引起9％Cr钢持久强度提高的原因有两个：一是W使Nb进入VN中的分数增加，从而引起VN晶格膨胀，在VN周围产生共格应变，引起蠕变强度增加；二是W加入引起薄膜状Laves相沿晶界边析出，阻止蠕变试验过程中亚晶粒长大，而Cr2N析出的作用则很小。另有资料表明，含W和Mo的高Cr马氏体耐热钢，在长期高温蠕变过程中形成Laves相Fe2Mo、Fe2W；但Fe2Mo和Fe2W在晶粒内的分布不同，Fe2Mo主要分布在原奥氏体晶界和马氏体板条束集的边界上，而Fe2W主要分布在原奥氏体晶界和马氏体板条界上。在马氏体板条界上的Laves相(Fe2W)更有利于在材料高温蠕变过程中阻止马氏体回复，从而更有利于提高材料的高温蠕变强度[14]。

4．B的作用

一般认为在耐热钢中加入微量B，主要是起强化晶界作用，以此提高钢的热强性，并用以改善持久塑性，减小了钢的蠕变脆性。试验证明，由于B原子半径的特殊性，B既可起置换固溶强化，又可起间隙固溶强化，同时B置换了M23C6中的部分C而形成M23(C、B)6，起沉淀强化作用。在高温下M23(C、B)6比M23C6细小，且B能促使M7C3→M23C6。由于B在晶界上的偏聚，使得晶界附近的无沉淀区比不含B钢少，形成的沉淀可以强化晶界，阻止裂纹在晶界形成、扩展，大大提高蠕变强度。在9％Cr钢中添加B，能使时效后出现的塑脆转变温度提高的现象得到抑止[14]。

5．N的作用

试验表明，600℃以下，随N含量增加，蠕变断裂强度增加。但在650℃以上，情况却相反。这主要是由于含N的沉淀物和基体结合力太强引起的。当N>0．04％时，组织中有M2X(Cr2N)，它是主要的二次硬化相之一，形态由针状、棒状到球状。细小、弥散的Cr2N有助于蠕变断裂强度的提高。另外，在含V的钢中，随着N含量的增加，分布在6铁素体与板条马氏体中的细小、弥散的VN数量增加。而VN在600℃和650℃长期蠕变测试中表现出良好的稳定性，这也对蠕变断裂强度的提高有帮助。但N含量的增加，对韧性将产生不利影响，它降低韧性[14]。

6．C的作用

锅炉过热器管道用钢，碳含量控制较低，约为0.09～0.17％。管道钢除了考虑热强性外，还需考虑到C含量对可焊性等工艺性能的影响，一般含C量过高，则

使焊接性能变差。另外，含C较高的钢在高温长期应力作用下加速了固溶体中合金元素的贫化过程和碳化物相显著聚集现象，从而降低钢的热强性，增加钢的脆性。P92钢的C含量控制在0.07～0.13％比较合适[14]。

7．V和Nb的作用

试验表明，在高Cr热强钢中，V固溶于马氏体中，使用过程中以V4C3析出并在马氏体中长大，阻止了晶粒在加热过程中的长大。当V/C约为4时，持久强度最高，其原因也是V4C3在晶内大量沉淀，显著地提高了晶内强度，使晶内强度远大于晶界强度，但易形成晶界裂纹。少量V和Mo还能加速Laves相沉淀。V还能加速钢中M7C3→M23C6的转变，究其原因是因为V和C形成V4C3，减少了C 的集中，加速了上述反应。有研究认为在1150℃固溶处理的条件下，加入0.2%V 在奥氏体中可以完全固溶，而加入Nb超过0.04%，就会导致未溶的NbC存在，未溶的VC和NbC可以阻止晶粒长大。Nb的作用同V相似，它的作用主要是在高Cr钢中形成细小、弥散、稳定的Nb(C，N)，使位错运动受阻，改善蠕变性能，但当Nb(C，N)聚集时，蠕变抗力下降很快。当同时加入V和Vb时，Nb的作用比V大。Nb(C，N)十分稳定，淬火时的残留第二相一般是Nb(C，N)[15]。

8．Mn和Ni元素

Mn和Ni对强度的影响不大，但是Mn和Ni的含量超过基体金属的上限时能够显著改善焊接接头的韧性，能够抑制δ铁素体的形成，保证获得全马氏体组织，Mn和Ni的含量一般小于1.5％，同时可以用Co来代替部分Ni。锰在钢中主要有两种作用，一是脱氧，二是合金化。锰与奥氏体能够形成无限固溶体，对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用[16]。

9．Co元素

Co元素可提高钢的高温蠕变强度，但效果Cr、Mo小，其效果在铁素体区域内随温度升高而变小，而在奥氏体区域内则变大，Co作为奥氏体形成元素，在含量在1.0%～1.5%时可防止δ铁素体形成，因而可改善钢的韧性。同时它固溶于基体但不形成金属间化合物，与Mo协同作用可减少Mo在马氏体中固溶度促进Mo金属间化合物（Ni3Mo、Fe2Mo）析出。

2.2P92钢焊缝金属合金化设计原则

设计焊接材料时要综合考虑抗裂性、蠕变断裂强度和韧性等。试验证明，使

用和P92母材相同化学成分的焊材将会导致焊接接头韧性和蠕变强度的降低，尤其对SAW，这种情况更为严重，因此在焊接材料设计的时候要焊缝金属与母材的合金元素的含量是不一样的。早期焊材设计时，通常在埋弧焊剂中加入锂化合物或焊丝中限制硅含量、填加铜和镍来提高抗裂性和蠕变强度，并通过控制钨、钼含量的比例来抑制大颗粒碳化物的形成，利用钨、钼元素的固溶强化作用提高蠕变断裂强度，但缺点是容易析出软δ铁素体相，降低韧性。P92钢中Cr、Mo、V、Nb等铁素体形成元素较多，当母材与焊缝金属成分一致，焊缝冷却凝固时易形成δ铁素体，其冲击韧性较低。如果焊缝金属得到单一的回火马氏体组织，其冲击韧性较高。故凡是能够防止δ铁索体形成并保证焊缝组织为全马氏体组织的成分，均有利于焊缝韧性的优化[17]。可通过控制焊缝金属中的铬当量得到回火马氏体组织，铬当量公式可以参照美国CE公司提出的如下公式：

(2.1)

当Cr eq≤10时，不会出现δ-Fe；当10

经研究表明一般情况下，能够改善蠕变性能的元素均会恶化焊缝金属的韧性，例如元素Nb、V、N和Si等，其中N和Si的影响较小。能够抑制δ铁素体的形成，

保证获得全马氏体组织的合金元素如Ni、Mn等对提高焊缝金属韧性有利。一般焊条C、N、B含量要比母材偏低，C、N化合物的形成以及元素B对蠕变断裂强度有着重要影响，它们的加入增加了材料的屈服强度和抗拉强度，但降低了塑性和韧性，B能够提高蠕变强度，但会降低焊接接头的韧性，其成分含量应控制在基体金属下限左右。Mn、Ni含量则比母材要偏高，Mn和Ni对强度的影响不大，但是Mn和Ni的含量超过基体金属的上限时能够显著改善焊接接头的韧性，能够抑制δ铁素体的形成以保证获得完全马氏体组织，由于同时降低Ac1，Mn和Ni的含量一般小于1.5%，同时可以用Co来代替部分Ni，Co是基体钢中没有的元素，但它的加入可改善P92钢焊缝的韧性及其它性能，故可以考虑在焊材中添加。V、Nb对韧性不利，其含量也应控制在下限左右。P、S等有害元素越低越好，Si尽管有一些规范规定焊缝金属的Si含量要比P92母材要一致，但降低Si的含量有助于韧性的改善，AWS规定焊材中Si的含量不高于0.30%，而低于母材中Si的含量。W，Mo元素的固溶强化作用提高蠕变断裂强度，但缺点是容易析出软δ铁素体相，降低韧性。为了避免δ铁素体的生成，应适当控制W的含量，故W的含量一般要求比母材偏低。

2.3合金元素对P92钢焊缝Ac1影响的定性分析

铁碳相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。合金元素的加入对碳钢中的相平衡关系有很大影响，加入合金元素后Fe-Fe3C相图要发生变化，合金元素可使α－Fe与γ－Fe存在范围发生变化。按照对α－Fe或γ－Fe的作用，可将合金元素分为两大类。（1）扩大奥氏体区的元素：扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。由于A1和A3温度降低，就直接地影响热处理加热的温度，所以锰钢、镍钢的淬火温度低于碳钢。（2）缩小奥氏体区的元素：缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了。当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称之为铁