Z 相析出驱动力同元素 V、N 的含量有关，其他诸 如微观组织的变化、热处理工艺都会对其有影响。可 以通过热力学平衡计算得到 Z 相的驱动力。N、Cr、 Nb 含量低，V、C 含量高的材料中 Z 相析出的驱动力 最低。Cr 含量低的 9-12Cr%钢，Z 相在 600 ℃时析出 的速度极其缓慢，在使用寿命高达 30 万 h 的使用寿 命中都影响不大。
过析出强化增加持久强度 ，但 [10] 是在这种情况下， Laves 相的粗化不能太快，以保持材料的抗蠕变性能。 1.3 Z 相
9-12%Cr 钢在高温下长期运行会（由 MX 相转变） 析出化学式为 Cr2Nb2N2 或 Cr（2 V，Nb）N2 的 Z 相 。 [12] Z 相是一种复杂的金属间化合物，由于 Z 相中的合金元 素 V、Nb、N 也是构成该类钢中的主要强化相 MX 的 组成元素，所以 Z 相的析出是以大量的 MX 的溶解为 前提的，而且析出的 Z 相在尺寸上要比 MX 大几个数 量级，所以 Z 相的析出显著降低了持久强度。
高持久强度钢开发的原则是：（1）获得细小的亚结 构，亚结构通过颗粒钉扎作用及固溶强化产生强化效 果；（2）避免析出相的粗化从而降低固溶强化效果[2]。
高强钢的强化机理，最终都要归于对位错运动的 影响，只有限制了位错的运动，才能显著提高强度。增 加位错运动阻力的方法有多种，可以通过固溶强化改 变位错运动的应力场，增加位错运动的阻力；可以通过 得到高密度位错群，增加位错运动的阻力；可以通过析 出物弥散分布，阻碍位错运动等；可以通过热处理等工 艺手段获得精细亚结构、稳定的细小颗粒等。
2 添加合金元素对组织、性能的影响
2.1 碳含量的影响 文献[5]利用 thermo-calc 计算得到 Laves 相及各
种 MX 的固溶度。随温度的升高，Laves 相及各种 MX 相在基体中的固溶度降低，但不同的 MX 的变化 趋势不同。V 和 Nb 的碳化物及氮化物以及 Ti 的碳化 物是最为稳定的析出物，在高温条件下粗化的速率很 低。但是即使在达到熔化温度，TiN 也极其稳定，其 固溶度比 TiC 的固溶度低几个数量级。这就意味着 很难通过合适的热处理方式得到弥散分布的 TiN，所 以在合金设计时就没有必要考虑 TiN 的强化作用，因 此在 MX 相强化作用方面，主要考虑 V、Nb 的碳氮化 物以及 Ti 的碳化物的强化作用。
Laves 相主要在富 Cr 的析出物（如 M23C6）附近析 出[6]，这种金属间化合物析出对持久强度的影响目前 仍不完全清楚。Mo、W 溶入基体中通过固溶强化改善 了持久强度[7]。Laves 相（Fe，Cr）（2 Mo，W）析出减少了 基体中固溶元素，从而降低了 9-12Cr%钢的固溶强化 效果[8-9]。在某些特定的条件下，Laves 相析出可以通
9-12%Cr 钢可用于提高汽轮机、锅炉等电厂大型 组件的热效率，通过 Mo、W 多元复合强化以及 Nb、 V、Ti 的复合添加形成弥散的碳化物析出强化；同时 通过控制 N，形成复杂的 Nb、V（Ti）的碳氮化物增加 析出强化。目前，我国对 9-12%Cr 钢的研究主要集中 在焊接工艺等方面，对于该系列钢的强化机理及其在 使用过程中的组织及性能变化的研究尚不完善。运 行参数为 580 ℃/28.5 MPa 的 P91 钢目前在国内已得 到广泛应用，但是关于该钢种的组织和性能的变化仍 然缺乏经验及数据的积累。对于日本新开发出来的 P92 钢和 P122 钢的性能数据则更少。国外尤其是以 日本的 NIMS（National Institute for Material Science） 为代表的一些科研机构在新钢种的开发及性能研究 方面做了大量的工作，也取得了巨大的成就，同时积 累了大量的试验数据，有许多值得我们借鉴的地方。
KEYWORDS: 9-12% Cr steel；martensite heat-resistant steel； strengthening mechanism；microstructure；creep property
摘要：9-12%Cr 钢的强化机理为析出强化、弥散强化和位错强 化。分布于原奥氏体晶界、板条界等位置的 M23C6及板条内部 弥散分布的 MX 是主要强化相，特定条件下的 Laves 相也会起 强化作用。伴随着 M23C6 的聚集长大、MX 的粗化及 Z 相的析 出 ，马 氏 体 发 生 回 复 ，位 错 运 动 障 碍 减 小 ，蠕 变 性 能 逐 渐 下 降。微合金元素 C、N、Ti、V、B 的加入可以控制 M23C6及 MX 数 量及分布形态，从而抑制马氏体板条的回复及增加位错运动 障碍，保持 9-12%Cr 钢的蠕变性能。
关键词：9-12%Cr 钢；马氏体耐热钢；强化机理；微观组织；蠕变 性能；超超临界机组
doi：10.3969/j.issn.1000-7229.2010.08.018
0 引言
77.73%为火电机组，7 台 1 000 MW 超超临界机组相 继投运，标志着我国电力工业已经开始进入“超超临 界”时代[1]。
ABSTRACT：The strengthening mechanism of 9-12% Cr steels is precipitation strengthening, dispersion strengthening and dislocation strengthening. The MX carbonitrides, which are dispersed in martensite laths, and the M23C6 carbides, which are distributed along lath, block, pocket and prior austenite grain boundaries, are the main strengthening phases, and the laves phase has the strengthening effects as well under special occasions. The coarsening of M23C6 and MX and precipitation of Z phase result in reversion of the martensite, decrease of resistance to dislocation movement and decrease of creep properties. Addition of micro alloys C, N, Ti, V, B can control the quantity and distribution of M23C6 and MX, consequently controlling the reversion of martensite, increasing the barriers of dislocation movement, and maintaining the creep properties of 9-12%Cr steel.
（1. 中国国电集团河南分公司，郑州市，450003；2. 中国电力科学研究院，北京市，102401）
Strengthening Mechanism of 9-12%Cr Steels
MENG Lin-xian1，ZHAO Qiang2，XU Guang-xin2
（1. Henan Branch of China Guodian Corporation, Zhengzhou 450003, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 102401, China）
但是在 9%Cr 钢中加入过多的碳元素会形成大 量富 Cr 的 M23C6，过多的 M23C6 析出会减少 MX 的析 出，从而降低强化效果。所以对于 9%Cr 钢来说，限 制极低的含碳量，促进形成 MX 氮化物（M 指 V、Nb） 则变得尤为关键。
文献[5]研究了不同含碳量的 9-12%Cr 钢的微观 组织同持久强度的关系，通过热力学计算软件得到了 9Cr-3W-3Co-0.2V-0.05Nb-0.05N 经 650 ℃蠕变的平衡 相随含碳量的变化关系。含碳量在 0.02%以下时，材 料在 650 ℃蠕变条件下 MX 的数量比 M23C6 多；含碳 量大于 0.02%以上时，M23C6 颗粒比 MX 颗粒多得多。 微观组织研究表明，MX 碳氮化物主要是 V 的氮化物 和少量 Nb 的氮化物。
第 31 卷 第 8 期 2010 年 8 月
电力建设 Electric Power Construction
中图分类号：TG 115.28 文献标志码：A 文章编号：1000-7229（2010）08-0075-04
Vol.31，No.8
Aug，2010 ·75·
9-12%Cr 钢的强化机理
孟令县 1，赵 强 2，徐广信 2
晶界 Laves 相
M23C6
板条界
晶界Biblioteka MX图 1 P92 钢微观组织的透射电镜照片 Fig.1 Microstructure of P92 steel
文 献 [4] 利 用 APFIM(atom probe field ion microscopy)研究了 P92 钢与 P122 钢的 M23C6，结果表 明，除了 Cr 之外，碳化物中包含了相对较多的 Fe、W、 Mo 元素。时效过程中，这 2 种钢中 M23C6都有很明显 的 B 富集。M23C6 有效抑制了马氏体板条的回复，提 高了蠕变寿命。随着蠕变时间的增加，M23C6 逐渐聚 集长大，这个过程在热力学上是自发过程，M23C6 颗粒 的聚集长大是蠕变寿命降低的重要原因之一。文献 [5]中给出了 9-12%Cr 钢的典型析出物的特征，MX 的 尺寸比 M23C6的尺寸小得多，M23C6主要沿马氏体板条 界及奥氏体晶界分布。 1.2 Laves 相
随着世界能源危机的日益严重化和低碳经济的 需求，火电厂迫切需要提高关键部件材料的性能，从 而通过提高运行参数来提高热效率。到 2007 年底， 我 国 发 电 装 机 容 量 达 到 了 7.132 9 × 105 MW，其 中